JP5265487B2 - 掘進装置 - Google Patents
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摩擦抵抗に打ち勝ってケーソンを沈降させるため、従来はケーソンに重量物を搭載したり、地中に定着したアンカー類に反力を得て強制的に貫入しているが、ケーソンを沈降するための設備が大掛かりとなるだけでなく、ケーソンの傾きを回避するために単位時間当たりの沈降量が非常に小さい範囲に制限され、沈設に要する時間と費用の負担が大きい等の多くの問題がある。
図13に掘進装置の一例を示す。先に提案した掘進装置は、互いに水平方向向けて並列配置した一対の水平スクリュー体90,90と、これらの水平スクリュー体90,90を回転駆動する手段と、掘進装置をケーソン80に沿って水平移動させる自走手段とを具備する。
一対の水平スクリュー体90,90はケーソン80の下端部81と直下地盤Gの間で、ケーソン躯体の横断方向に向けて配設した掘削体で、回転軸91と、回転軸91の外周面に一体に付設した螺旋状の羽根92を具備する。
一対の水平スクリュー体90,90は互いに接近して並列され、一方の羽根92の間に入り込んだ土砂を他方の羽根92で掻き落とせるように、相対向する水平スクリュー体90,90の螺旋状の羽根92,92の一部が重合している。
(1)地中に大小の岩石等の硬質塊が存在する場合、水平スクリュー体90を構成する螺旋状の羽根92の間に大きめの硬質塊を挟み込んだり、一対の水平スクリュー体90,90の螺旋状の羽根92,92の重合箇所に小さめの硬質塊を噛み込んだりする。
これらの硬質塊は二つの羽根92,92の回転力で取り除くことができる場合もあるが、羽根と羽根の側面間に硬質塊が強く噛み込むと水平スクリュー体90,90が回転不能に陥ったり、最悪は羽根92の一部または動力伝達機構の一部が破損するおそれがある。
そのため、硬質塊の挟み込みや噛み込みを生じたときは、掘進装置の運転を一時中断して作業員が硬質塊を手作業で取り除かねばならず、掘削作業の中断を強いられる。
(2)螺旋状の羽根92は回転軸91に対して斜めに傾斜している関係から、重合する羽根92と羽根92の間に土砂を掻き落せない領域が発生する。
そのため、一対の水平スクリュー体90,90の羽根92や回転軸91に土砂が付着して残ったままとなり、掘削土砂の排出効率が低い。
(3)水平スクリュー体90の羽根92の一部が欠損、変形、又は偏摩耗を生じても部分的な交換ができない。そのために、水平スクリュー体90をまるごと交換しなければならず不経済である。
(4)水平スクリュー体90が一度に掘削できる深さHは羽根92の径と同じ30cm〜50cmである。
水平スクリュー体90による掘削深さが大きいと、沈降する際にケーソン躯体に大きなねじれ力が作用する問題と、水平スクリュー体90に大きな回転掘削力を得るために高馬力のモータを搭載しなければならず、装置コストが嵩むといった問題がある。
反対に水平スクリュー体90を構成する羽根92の径のみを小さくすると、掘削深さHを小さくしつつ装置コストを低減できるが、排土性能が極端に低下する。
(5)掘削幅の変更対応が困難であり、掘削幅を簡易に変更可能な技術の提案が望まれている。
(1)直下地盤の掘削深さを小さくしても、効率のよい掘削性および排土性の両立が図れること。
(2)岩石等の硬質塊の挟み込みや噛み込みを回避して、円滑な掘進作業を行なえること。
(3)直下地盤の掘削深さを簡単な操作で調整できること。
(4)消耗部品の部分的な交換が可能であること。
(5)構造が簡単で装置コストを低減できること。
(6)簡易かつ低廉なコストで掘削幅を変更できること。
本願の第2発明は、前記第1発明において、前記回転板と挟持板の何れか一方或いは両方に、前記掻出カッタを収容可能な位置決め溝を設けたことを特徴とする。
本願の第3発明は、前記第1又は第2発明において前記掻出カッタの基端側にスペーサを介装することを特徴とする。
本願の第4発明は、前記第3発明において前記スペーサが環状を呈することを特徴とする。
本願の第5発明は、前記第3又は第4発明において前記スペーサが複数の分割体からなることを特徴とする。
(1)掻出掘削機を構成する掻出カッタを簡易に脱着できる。したがって、一部の掻出カッタが破損したり損傷した場合でも、必要最小限の部品を交換するだけで済むため、経済的である。
(2)異なる寸法の掻出カッタへと交換するだけで、掻出掘削機による掘削幅を簡易に調整することができる。したがって、部品の消耗や掘削幅の変更の際に、掻出掘削機全体を交換せずに済むため、経済的である。
(3)異なる寸法のスペーサへと交換したり、或いはスペーサを取り外すことで、同寸法の掻出カッタを用いても掘削幅を適宜調整することができる。したがって、掘削幅に応じて長さの異なる掻出カッタ群を用意する必要が無く、経済的である。
(1)ケーソン
図1,2に一部を省略したケーソン20の下端部21の縦断面図を示す。
ケーソン20はその水平断面形状が例えば矩形、多角形、円形、楕円形等を呈するコンクリート製の函体で、その躯体厚や全体寸法はケーソン20の使途に応じて適宜選択する。
凹部空間26に面したボトムフレーム25の上下のフランジ25a,25bには、相対向して一対のガイドレール24,24を設けるとともに、縦板25cの内側中央には、掘進装置10の移動範囲に亘って反力受け具23を設ける。
図1,2に基づいて掘進装置10の全体構成について説明する。
掘進装置10は、ケーソン20の下端部21の直下地盤を掻き出し掘削する機能と、掘削土をケーソン内側へ排出する機能を併有した自走式の装置であり、ケーソン20の下端部21のガイドレール24,24に係合して走行可能な走行体30と、走行体30の走行手段と、走行体30に搭載し、下端部21の直下地盤を掻き出し掘削する掻出掘削機40と、掻出掘削機40の回転駆動手段とを具備する。
図3,4に示すように、走行体30は走行方向に沿って間隔を隔てて設けた第1ガイド機構G1と、第2ガイド機構G2を具備し、該ガイド機構G1、G2を介してガイドレール24,24と係合する。
本例では走行体30の進行方向Rに対して前方側を第1ガイド機構G1、走行体30の進行方向に対して後方側を第2ガイド機構G2と呼んで区別して説明する。
一対のローラ34,34を水平基板31,31に設けるにあたり、支軸32と支持台33を介して旋回自在に設けることで、走行体30の移動経路が屈曲していても走行体30を円滑に移動することができる。
図2,3に示すように、走行体30は駆動源35と走行輪36を装備していて、駆動源35の回転を受けて走行輪36が正逆転する。
駆動源35の回転を走行輪36へ伝達するには、公知の歯車伝達機構C、ベルト伝達機構、チェーン伝達機構等の何れかひとつ、またはこれら複数の伝達機構の組合せを採用できる。
本例では第1ガイド機構G1の支軸32に走行輪36を設けた場合を示す。
支軸32の同軸上には走行輪36と一体に歯車37が付設してあり、歯車37へ伝えられた駆動源35の回転に伴って走行輪36が回転する。
図2,6に示すように、掻出掘削機40は、少なくとも走行体30を縦方向に貫通して軸支した回転軸41と、回転軸41に水平に設けた回転板42と、回転板42に放射状に配設した複数の掻出カッタ43と、掻出カッタ43を挟持する挟持板44と、からなる。
掻出掘削機40を構成する各部材の配置形態について説明する。
回転軸41には回転板42をボルト等の周知の方法(図示せず)によって水平に固定する。
回転板42の下面には、複数の掻出カッタ43を放射状に配設した後、挟持板44を掻出カッタ43の下方から重ね、該掻出カッタ43を回転板42と挟持板とで挟持するよう構成する。
回転板42と挟持板44とをボルト45でもって固定した後、固定板46を回転軸41の下端及び挟持板44の下面を押さえるように配設し、ボルト等の周知の方法でもって回転軸41に固定する。
以上の構成により、回転軸41の回転によって複数の掻出カッタ43がケーソン20の支持面の下方位置で回転することとなる。
掻出カッタ43の挟持構造の実施例について、図6を参照しながら更に詳細に説明する。ただし、以下の実施例に係る構造は本発明の必須事項ではなく、他の挟持構造を適宜選択することもできる。
(5−2−1)位置決め溝
回転板42の下面には、掻出カッタ43と同数の位置決め溝421を凹設する。位置決め溝421と掻出カッタ43の数は同数であり、各位置決め溝421に前記掻出カッタ43の上面側の一部を夫々嵌め込むことにより、回転板42上に掻出カッタ43が所定の位置に配設されることとなる。
回転板42並びに挟持板44には、それぞれ各掻出カッタの配設位置の間に取付孔422、442が穿設されており、該取付孔にボルト45を螺合して回転板42及び挟持板44を締結固定する。その結果、掻出カッタ43はボルト45によって間接的に位置決め固定されることとなる。尚、ボルト45には超鋼合金製のボルトなどを用いることができる。
本例の掻出カッタ43について図2,7を参照しながら説明する。
掻出カッタ43は全体形状が板状または棒状を呈していて、少なくともその前面43aが切削面として機能する。
本例では、掻出カッタ43の前面43a及び下面43bに超硬質の掘削チップ43cを付設した形態を示すが、掘削チップ43cは必須ではない。
また必要に応じて挟持板44の下面にも複数の掘削チップ442を設けるが、この掘削チップ45も必須ではない。
掻出カッタ43の下面43bは、下方へ向けて連続掘削するために機能するものではない。
掻出カッタ43は掘削土砂をその側面43cで側方へ搬出するために機能する。
図2に示すように走行体30は駆動源47を搭載していて、駆動源47の回転を受けて掻出掘削機40が回転軸41を中心に正逆転する。
駆動源47のトルク伝達手段としては、公知の歯車伝達機構D、ベルト伝達機構、チェーン伝達機構等の何れかひとつ、またはこれらの複数の組合せを使用できる。
掻出掘削機40は自走しながら鉛直方向の回転軸41を中心に複数の掻出カッタ43が回転することで、ケーソン20の下端部21の直下地盤を掻き出し掘削するための装置である。
掻出掘削機40が従来のシールドマシンと比較して異なるところは、掻出掘削機40が鉛直軸を中心に回転しながら鉛直軸の直交方向(水平方向)へ向けて移動しながら掘進するのに対して、シールドマシンが回転軸を中心に回転しながら回転軸の延長方向へ向けて掘進することである。
掻出掘削機40が鉛直の回転軸41の直交方向(水平方向)へ向けて掘進する方式を採用することで、シールドマシンと比較して掘削抵抗と掘進抵抗が格段に小さくなる。
掻出掘削機40が回転軸41の直交方向(水平方向)へ向けて掘削土砂を排出する方式を採用することで、従来と比べて掘削土砂の取り残しがなくなり、掘削深さを小さくしても、効率のよい排土性を確保することができる。
掻出掘削機40が鉛直軸を中心とした一軸(回転軸41)の回転であるから、隣り合う掻出カッタ43と掻出カッタ43の間で岩石等の硬質塊の挟み込みや噛み込みをまったく生じることなく、効率のよい掘削性および排土性の両立を図ることができる。
つぎに既述した掘進装置の作用について説明する。
図2において、走行体30に搭載した駆動源47を作動すると、トルク伝達手段を介して駆動源47の回転力が掻出掘削機40を構成する回転軸41へ伝達される。その結果、走行体30が停止した状態で複数の掻出カッタ43が回転軸41を中心に一方向に回転を開始する。
掻出掘削機40が回転することで、ケーソン20の支持面22の直下地盤が掻出カッタ43の高さと半径を有する平面円形状(平面円環状)に掘削される。
掻出カッタ43の前面43aと下面43bに設けた複数の掘削チップ431が地盤Gを平面円形状に掘削する。
オーバーハングの領域の土砂が自重崩落しないときでも、掻出カッタ43の前面43aの斜めの切削面で掘削できるので、掘削残しを生じることがない。
この際、回転する掻出カッタ43がその側面43cに沿って掘削土砂を強制的に誘導して押し出すので、掘削土砂が付着することがない。
図2において、走行体30に搭載した駆動源47に引き続いて駆動源35を作動すると、トルク伝達手段を介して駆動源35の回転が走行輪36へ伝達される。
ケーソン20の内側の反力受け具23と噛合する走行輪36が回転することで、掘進装置10はケーソン20の下端部21のガイドレール24,24に沿って一方向へ向けて走行を開始する。
回転を継続した掻出掘削機40がケーソン20に沿って水平移動を開始することで、掻出カッタ43の高さと径の寸法による支持面22の直下地盤の掻き出し掘削(掘進)が進行する。
すなわち、掻出カッタ43の前面43aの掘削機能は変わらないが、下面43bはその全長が掘削機能を発揮するのではなく、下面43bの前端部分が掘削機能を発揮する。
このように複数の掻出カッタ43の前面43aが小刻みに地盤Gを掻き出しながら掘削するため、地盤Gが締め固められた硬質地盤や岩盤質であっても効率的に掘削することができる。
したがって、掻出カッタ43に過度の負荷がかからないように現場の状況に応じて、掻出カッタ43の設置本数と、掻出掘削機40の移動速度に対する回転速度の関係を適宜選択する。
以上のように掘進装置10はケーソン20を周回しながら、或いは前進と後退を繰り返しながらケーソンの直下地盤を掘削する。
掻出掘削機40の掘削径がケーソン20の外側面と一致するように設定してあるので、ケーソン20の沈降時におけるケーソン20の外周面と地山間の摩擦はゼロとなるから、周面摩擦抵抗は特に考慮する必要がない。
したがって、ケーソン20は自重だけで沈降する。
掻出掘削機40による掘削深さを小さく設定できるので、沈降する際にケーソン20の躯体に大きなねじれ力が作用することを回避できる。
そのため、ケーソンの躯体強度を過剰に増強した設計をする必要がなくなり、ケーソン躯体を経済的に設計することができる。
掻出掘削機40を長時間に亘り使用すると、一部の掻出カッタ43が偏摩耗したり損傷する場合がある。また、施工状況に応じて掻出掘削機40の掘削深さや掘削幅を変更したい場合がある。
本発明では、ボルト45を緩めて挟持板44を取り外すだけで、新たな掻出カッタ43と交換することが可能である。その他、掻出掘削機40の水平方向に作業スペースがある場合には、ボルト45を緩めて掻出カッタ43を水平方向に引き抜くことで新たな掻出カッタ43と交換することも可能である。
したがって、健全な掻出カッタ43はそのまま継続使用できるので、掻出掘削機40全体を交換せずに済み経済的である。
また、本発明は、掻出掘削機40の掘削幅の変更が要求される場合においても、前述の通り、ボルト45を緩めることで、既設の掻出カッタ43を異なる寸法の掻出カッタ43と交換することが可能であるため、掻出掘削機40全体を交換せずに済み経済的である。
図9,10に掻出カッタ43の他の形態を示す。
図9の(A)は掻出カッタ43の前面43aと下面43bに、波形の切削面を形成した形態を示し、同図の(B)は掻出カッタ43の前面43aのみを波形の切削面を形成し、下面43bに平らな切削面を形成した形態を示す。
図10は掻出カッタ43の前面43aのみに掘削チップ431を設けた形態を示す。
(1)スペーサ
図11に示すように、本発明の掻出掘削機40は、回転板42と挟持板44との間であって且つ前記掻出カッタ43の基端よりも内側に形成された収容空間Aにスペーサ48を具備するように構成することもできる。
本実施例におけるスペーサ48は平面環状の部材であり、内径を回転軸41の直径より大きくし、外径を回転板42の直径よりも小さくし、更に厚さを回転板42と挟持板44との間の空間に収容可能な厚さとするよう構成する。
本例では、回転軸41に回転板42を取り付けた後に、スペーサ48を前記回転板42の収容空間Aに組み付け、その後掻出カッタ43の基端をスペーサ48に当接するように配設する。その他の部材の組み付け手順は実施例1に記載の方法と同様であるため、説明を省略する。
本例のスペーサの作用について、図12を参照しながら説明する。
図12(a)は、本例の掻出掘削機40の概略断面図であり、図12(b)は先の実施例1における掻出掘削機40の概略断面図である。
スペーサ48を具備することにより、掻出カッタ43の基端は前記スペーサ48へと当接して配設されることとなり、スペーサ48の側厚b分だけ、放射方向に係る露出長さが延長され、掻出カッタ43の回転半径は拡径(R2=R1+b)することとなる。
その結果、掻出掘削機40全体の掘削幅が拡張されることとなる。
本発明によれば、掘削工程において以下の様な使用方法を実現できる。
(4−1)初期掘削時
特定の寸法を有するスペーサ48を具備した状態で、ケーソン20の横幅と掘削幅とが同一となるように構成し、初期掘削を開始する。
(4−2)掘削幅の拡張が要求される場合
ケーソン20と地盤との摩擦が大きく、ケーソン20の沈降がスムーズに行われない場合等には、掘削作業を一時停止し、挟持板44や固定板46を取り外すことが可能な程度の作業空間を確保した後、挟持板44等を取り外して、より外径の大きいスペーサ48へと交換する。上記作業によって掘削幅が拡張するため、ケーソンと地盤との摩擦が低減し、その結果ケーソン20の沈降がより促進することなる。
他方、ケーソン20の沈降速度を抑えたい場合には、ケーソン20と地盤との摩擦をより大きくするため、予め取り付けてあるスペーサ48をより外径の小さいスペーサ48へと交換するか、或いはスペーサ48を取り外すことで掘削幅を縮小させる。上記作業により、該ケーソン20はより圧入沈降状態へと遷移するため、沈降速度がより低速方向に誘導されることなる。
(1)スペーサの組み付け例1
本発明は、単一又は複数の掻出カッタ43に当接可能なスペーサ48を複数具備して構成することもできる。
本例に係るスペーサ48は、一部材で隣り合う二つの掻出カッタ43を当接すべく、環状部材を均等に六分割して製作してある(図13)。
本発明は、単一の掻出カッタ43に当接可能なスペーサ48を複数具備して構成する場合において、スペーサ48の横幅を掻出カッタ43の横幅以下として、掻出カッタ43の配設箇所の開口部分からスペーサ48を挿入可能に構成することもできる。
本例では、回転板42又は挟持板44の位置決め溝421、441を回転軸41の近傍まで設けておき、スペーサ48の横幅を掻出カッタ43の横幅以下とすることで、掻出カッタ43の配設箇所の開口部分からスペーサ48を挿入可能としてある(図14)。
20・・・・・ケーソン
21・・・・・ケーソンの下端部
22・・・・・支持面
23・・・・・反力受け具
24,24・・ガイドレール
30・・・・・走行体
33・・・・・支持台
34・・・・・ローラ
35・・・・・駆動源
36・・・・・走行輪
40・・・・・掻出掘削機
41・・・・・回転軸
42・・・・・回転板
43・・・・・掻出カッタ
44・・・・・挟持板
45・・・・・ボルト
46・・・・・固定板
47・・・・・駆動源
48・・・・・スペーサ
Claims (5)
- ケーソンの下端部に係合して走行可能な走行体と、走行体の走行手段と、走行体に搭載した掻出掘削機と、掻出掘削機の回転駆動手段とを具備し、前記走行体の走行と、複数の掻出カッタの回転軸を中心とした回転とによりケーソンの下端部の直下地盤を掘削するケーソン用の掘進装置であって、
前記掻出掘削機が、走行体を縦方向に貫通して軸支した回転軸と、
回転軸に水平に設けた回転板と、
回転板に放射状に配設した複数の掻出カッタと、
掻出カッタを挟持する挟持板と、を有し、
前記回転板と挟持板との間で前記掻き出しカッタを脱着自在に挟持したことを特徴とする、
ケーソン用の掘進装置。
- 前記回転板と挟持板の何れか一方或いは両方に、前記掻出カッタを収容可能な位置決め溝を設けたことを特徴とする、請求項1に記載のケーソン用の掘進装置。
- 前記掻出カッタの基端側にスペーサを介装することを特徴とする、請求項1又は2に記載のケーソン用の掘進装置。
- 前記スペーサが環状を呈することを特徴とする、請求項3に記載のケーソン用の掘進装置。
- 前記スペーサが複数の分割体からなることを特徴とする、請求項3又は4に記載のケーソン用の掘進装置。
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