小编语：2021年，日本的地下工程行业和全球的其他同行一样。依旧遭受着疫情的影响。而日本日益严峻的人口负增长和劳动力短缺问题，让日本地下工程行业的未来也显得困难重重。
但作为地下工程领域的传统大国。日本的技术工作者们在充满困难的2021年中依旧成功的开发和完善了一些创新技术。而其中的一部分可能会对解决地下工程行业所面临的问题起到关键性的作用。本期，让我们一起回顾在过去的2021年中，日本同行们的各种技术创新吧！
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“TBM-NATM双模式掘进机”
2021年5月，日本黑部川电力新姬川第六发电站建设工程中，首次应用了TBM-NATM双模式隧道掘进机“NATBM”施工的引水隧洞顺利贯通，隧道总长3.8km。施工中，NATBM掘进机先以TBM模式挖掘到位于贯通点前的蛇纹岩层边界后，再在贯通点附近地质复杂的蛇纹岩混合区间，切换为NATM模式继续掘进直至隧道贯通。
NATBM 切换为NATM模式
可变形的刀盘
在具体施工过程中，机器在岩石地层中会以TBM模式运行。同时探查前方地质情况，尽早判断前方是否存在不良地质。到达不良地质处后，使机器后退（最大3.0m），确保有足够的挖掘空间。打开刀盘，取出内置斗轮式挖掘机，切换到NATM模式。挖掘完成后，更换挖掘机的尖端，并浇筑混凝土和进行锚杆钻孔。然后根据地质情况选择支护模式（钢架支护、混凝土浇筑、锚杆）。
小编评价：为了应对复杂多变的地质，各国相继开发了泥水-土压、土压-TBM等双模式掘进机。而这台“TBM-NATM”应该是世界首台能够切换TBM和NATM的双模式掘进机。
这类双模式掘进机相比单一模式掘进机能更好地应对地质变化，既可以发挥多种模式的特长，又能节约成本和时间。应该是未来隧道掘进技术发展的大势所趋。
新型管片接头技术
2021年12月，日本大成建设和Unytite System公司公布了他们共同开发了一种新型管片接头技术“Tighten Joint”。该技术据称可以提高接头的止水性和可施工性，还能简化了作业流程，从而缩短施工周期，降低施工成本。这项技术将接头螺栓与由蜗杆和蜗轮组成的齿轮相结合。这种设计使接头在拼装管片时可以精准且容易地施加较大的紧固力，还能简化后续工序，节省劳动力。
结构示意图
通过旋转蜗杆产生一定的扭矩，使蜗轮受到更大的扭矩作用。蜗轮的旋转可以拉动连接螺栓并提供大的紧固力，使止水密封件维持受压状态，提高了接头的防水性。并且管片拼装完成后，可以通过复紧或松开来调整紧固力，具有良好的可操作性。
由于只需封闭蜗杆孔即可使衬砌内弧面光滑平整，可以免去封堵手孔等后续作业，具有省工、省力、高效的优点。所以可以缩短工期。
小编评价：在传统的接头技术中需要人工进行螺栓、螺母的孔芯调整和紧固等施工，所以很难均匀地控制紧固力，且无法施加较大的紧固力。在紧固螺栓后，还需要用砂浆封堵螺栓手孔。
这项技术看上去确实能有效解决这些问题。并且在测试中，接头的强度和刚度都能够符合日本的规定标准。但实际应用，以及进行推广可能还需要更多的测试和实际使用经验。
快速修复隧道衬砌的防剥落工法
日本大林组、KONISHI和化学工程有限公司共同开发了一种基于新型喷涂材料的无网防剥落工法“ONE BIND SPRAY™”，能够快速修复隧道衬砌混凝土，减少修补工程所需的时间，缩短交通管制期。
ONE BIND SPRAY喷涂中
采用传统工法修补时需要混凝土表面处理、涂刷底涂树脂、修补整平、涂胶粘剂（2次）、粘接纤维片材和表面防护7个步骤。但新工法因为不使用纤维片材，所以仅有混凝土表面处理、涂刷底涂树脂和喷涂3个步骤，可以将作业时间缩短35%。
涂层内含异氰酸酯，所以只涂抹一层，也能形成坚韧的涂膜，不使用纤维板也能达到规定的冲压抵抗性能，可以大幅缩短修复作业时间。
此外，因为使用的是一种不需要混合的单组份材料，所以易于保障质量。并且，在燃烧时排放的有毒气体低于日本方面的标准值，因此可以被安全应用在隧道环境内。
目前该技术已在东日本高速公路有限公司招标的隧道工程中进行了实证试验。
小编评价：衬砌混凝土老化时，目前主要会采用纤维片材加固修复结构技术进行修复和加固，这种方法耗费时间较长。如果只需喷涂一层单组份材料就能实现同样的修复水平。那将会大大方便隧道养护工作。相信在足够多的实证试验证明有效性后，这种技术会得到广泛的应用。
设计图纸地面投影技术
在每个建筑工程刚开始时，需要在施工现场将各种参考线、设备安装位置和其他来自设计图和施工图的尺寸信息按实际尺寸绘制出来。如果发生测量错误或使用了设计变更前的旧图纸，这一过程的准确性就会受到影响，并且每个建筑项目都需要单独标记，十分耗时耗力。
2021年12月，日本大成建设开发了一种名为“T-iDigital MARKING”的新技术，利用投影映射将设计图纸等数据准确地投射到施工现场的地面上。导入这项技术后，无论工人是否具有专业知识背景，都可以根据地面上的参考线和标记准确而快速地进行施工，减少了所需的工人数量，极大地提高了生产效率。
实际效果
为了避免图像变形。大成建设开发了“图像校正技术”，可以准确地纠正投影时发生变形的图像。因此，该系统能够精确地在地面上显示图纸，确保从2m外的投影仪投射出图像精度在±2mm以内。以避免图像变形。大成建设开发并引进了一种“自动姿态控制装置”以控制投影仪的方向，倾斜角精度达0.001度。因此，只需将投影仪固定在该装置上，就可以避免图像发生变形。
固定在自动姿态控制装置上的投影仪
通过利用“T-iDigital MARKING”技术，施工人员可以一次性完成过去需要在标记地点重复进行的事前测量工作，还能够通过投影标出装饰工程、设备工程中所需的综合信息，以最少的工人数量同时进行各种工作，并且无须具有专业的知识背景，降低了施工门槛。
工人标记中
小编评价：这项技术可以有效减少现场的工作人员。并降低相关工作人员的工作难度。但是投影设备的成本会是一个巨大的问题。并且这类设备的使用通常需要一定的培训。维护和修理这类投影设备也需要专业人士参与。而对于工作人员来说，在已经习惯旧工作方式的情况下，要适应新的技术也是需要时间的。所以这项技术在短期内可能还没办法得到广泛应用。
AI盾构施工系统
日本对盾构机的自动化研究一直颇为重视。在2021年，有多个日本的ai盾构研究项目都取得了一定的进展。
首先是清水建设的“Shimizu Shield AI”。这个系统是通过AI技术和熟练工丰富经验，开发的隧道施工系统。设计目的是实现盾构隧道掘进计划的制定到实操施工作业的全自动化。以期在节省了人力的同时，确保施工的质量。
工作人员远程监督AI
在进行曲线段的规划时，人工操作很难把握盾构机与地层和管片之间的间隙，易导致盾构机损坏，通过这项AI技术能顺利解决这个问题。
采用AI辅助系统在可视化3D模型的形式下制定70环管片施工计划仅需10分钟左右，而一个熟练的技术工人需要2天左右的时间。
东急建设、Automagi和协立电机共同开发了利用AI辅助盾构机操作的“盾构机AI掘进系统”，也在东京的隧道施工中进行了实证试验，证实了其有效性。
“盾构机AI掘进系统”着重于盾构机掘进控制中的工作面压力调整和盾构机方向控制，旨在通过AI的辅助使之自动化。该系统由一个AI预测系统和一个AI辅助工具组成，前者通过接收和学习盾构机掘进过程中获得的各种测量数据以预测最佳控制量，后者则是将预测的控制数据以图形的形式可视化，并将其传输给盾构机。
自动控制模式实验
此外，“盾构机AI掘进系统”具有两种模式：一种是“辅助控制模式”，工作人员在检查数据的同时操作机器；另一种是“自动控制模式”，AI在没有操作员的情况下自行控制机器。演示的结果显示它具有较高的预测精度。
日本大林组开发的盾构AI自动方向控制系统也得到了进一步的发展，已经可以自动判断修正盾构机方向所需的受力点，并自动选择相应的千斤顶，通过控制千斤顶自动修正盾构方向。
方向修正中的盾构机千斤顶的操作实例
操作人员在调整受力点时，要确认大量复杂的掘进数据后，根据经验做出判断。该系统将操作人员用于评估的几十个项目的数据作为AI训练样本，使AI学会了自动确定受力点。在类似的情况下，AI能够做出与操作人员相同的决策。因此，该系统可以无误差地控制盾构机方向。
该系统确定受力点时会考虑到盾尾间隙的问题，防止盾构机与管片因间隙不足而发生接触造成磨损，降低管片出现裂缝和漏水的风险，保证隧道质量。
小编评价：目前，各国都在积极推进隧道的无人化施工。由AI控制的施工过程既能节省人工，又能提升工程质量。还能保证施工安全。无人化，智能化将会是未来地下工程行业的重要发展方向。
碳中和混凝土
2021年4月，由东京大学、清水建设等8家单位组成的科研团队成功开发了世界首例完全可循环型碳中和混凝土制造技术。该技术可以把含钙的混凝土类废弃物以及CO2、水作为原料制造出称为“CCC混凝土（Calcium Carbonate Concrete）”的新型建筑材料，无需使用硅酸盐水泥，也无需进行水化反应。
混凝土样品
由于原材料是废旧混凝土，并且制造过程中使用了超过原先排放量的CO2对其进行固定化，因此是一种碳中和混凝土，未来也能多次重复循环使用，对于减少建筑业CO2排放量具有显著作用。
水泥浆细粉作为骨料的CCC混凝土（左）和石英砂作为骨料的CCC混凝土（右）
传统水泥混凝土的CO2排放量为257~385kg/m3，而CCC混凝土的制造过程中，不仅大幅减少了CO2的排放量，并且吸收固定了空气中的CO2约124kg/m3。这意味着每使用1m3CCC混凝土，合计具有320～460kg/m3的CO2减排效果。
小编评价：随着碳达峰，碳中和工作越来越重要。地下工程行业也必须开始重视碳排放问题。混凝土制造过程中的碳排放是一个值得关注的方面。日本的碳中和混凝土是一个值得参考的思路。但在推广使用前，确保其性能的可靠也是非常重要的。
结语
日本隧道行业所面临的劳动力短缺，环保要求提高等问题，很可能也会成为我们未来需要面对的问题。而这些来自2021年的创新技术和在2021年取得进展的创新技术，对解决这些问题都提供不同程度的帮助。让我们共同期待未来的地下工程行业中能诞生更多的技术创新吧！
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