作者注：
本文是由美國亞(ya) 力鬆納州Bieniawski設計公司的Richard Z T Bieniawski教授，西班牙馬德裏GeoControl 公司的Benjamin Caleda、Isidoro Tardaguila和 Alejandro Rodrigues 合著論文“挖掘的比能量幫助探測TBM前方隧道挖掘條件實時變化”編輯版。
挖掘的比能量定義(yi) 為(wei) 挖掘過程中以兆焦耳（MJ）表示的能量和挖掘土體(ti) 積m3之間的方程式表達。
SEE的概念已經被運用了數十年，用以來幫助評估岩體(ti) 內(nei) 鑽進和挖掘的效率。首先在石油工業(ye) 內(nei) 報道過（Teale，1965），這是一個(ge) 可以在實時從(cong) 一台鑽機或一台TBM運轉性能記錄中確定的參數。此外，能使這個(ge) 參數特別吸引人的就是其與(yu) 岩體(ti) 的機械性質的相互關(guan) 係（Acaroglu et al 2008）。
過去3年中，西班牙馬德裏GeoControl公司對來自西班牙工業(ye) 發展中心(CDTI)的部分讓予進行了調查，利用SEE讓岩體(ti) 特性化供TBM使用。作為(wei) 努力的結果（GeoControl，2011），本文介紹這些新科研成果來評估挖掘過程和TBM推進之際，估計岩體(ti) 質量和其他主要特性。
依靠性
挖掘比能量取決(jue) 於(yu) 岩體(ti) 條件和挖掘過程。Cock和Joughim，1970）完成測試，檢驗了南非金礦內(nei) 石英質岩體(ti) 各種挖掘方法。其單軸抗壓強度恐會(hui) 超過200MPa。他們(men) 利用經研究的每個(ge) 方法測定SEE，作為(wei) 各種岩石破碎過程所產(chan) 生的碎塊尺寸的函數。其結果在圖1（下方）所示：
圖1 各種挖掘方法的能量消耗和岩石破碎尺寸間的關(guan) 係圖（單位：mm）
本圖可引出重要結論，SEE與(yu) 碎石過程所產(chan) 生的碎塊尺寸呈指數關(guan) 係，還有，炸藥挖掘所耗用的能量是本研究所進行的各種方法中最少的。TBM挖掘處於(yu) 該範圍的中間部分。
計算
挖掘比能量可以利用Teale方程式（Teale，1965）計算。他是第一位公布了鑽掘大直徑樣本石塊過程中使用比能量研究結果。他建議鑽掘的比能量EEP可以利用下列方程式計算：
其中：
EEP是鑽掘的比能量（MJ/m2）
F 總推力（kN）
A 鑽掘的麵積（m2）
ω轉速（rev/s）
T扭矩（kNm）
u 鑽進率（m/s）
上述等式的第一部分相當於(yu) 施加推力時與(yu) 之成比例的能量，而第二部分鑽頭轉動所耗用的能量。
假如有人對每次轉動使用比貫入率的概念
，那麽(me) 上述方程式為(wei) 
。
Teale(1965)表明
僅(jin) 占總能量的百分之一，因而在實際使用目的時，可以忽略。
GeoControl在西班牙（2009-2010）Pontones隧道進行野外測試時，那時海瑞克單護盾TBM正在挖掘。上述方程式經過考驗，那時挖掘的SEE計算出來了。還有如果是大直徑鑽掘，推力分力相當於(yu) 正常情況之下總能量的百分之一。可是，如果TBM受困，這個(ge) 分力可以達到能量的30%，這樣的數字再也不能忽略。
相應地，TBM挖掘隧道時，它可以如此表示：
在這個(ge) 等式中，第一個(ge) 分力(
)表示推進TBM所耗用的比能量（正如表明的那樣，大多數情況下，大約為(wei) 總數的1%），而第二項(
)轉動大刀盤（也就是實際上在岩體(ti) 內(nei) 發生挖掘）的比能量。
實驗室測試
受壓時岩石斷裂過程的比能量也可以在實驗室內(nei) 從(cong) 完整的應力-應變曲線中確定，這樣的曲線來自岩石樣本按照高剛度，在伺服控製壓力機上所取得的；受壓測試時比能量值EEC與(yu) 沿應變軸線的曲線下方麵積相重合，正如圖2，下麵所說明。
圖2 使用單軸壓縮條件下的全部應力-應變曲線來確定實驗室岩石斷裂比能量EEC
實驗室/工地比較
現場挖掘的比能量比實驗室測試的斷裂比能量要大得多。從(cong) 西班牙Pontones隧道TBM挖掘所取得數據可知，挖掘比能量SEE，根據各種岩石質量（RMR）數值，可以計算出來，就此獲取結果說，當RMR<35， SEE 小於(yu) 10MJ/m2 而當RMR>45時，SEE大於(yu) 32 MJ/m2 。同時，在單軸向壓力測試來自隧道岩石構造完整岩石樣本時，使用了伺服控製機，EEC（實驗室）的數值比野外SEE的數值要小10—20倍。這樣的結果，似乎是矛盾的，無論如何，由於(yu) 岩體(ti) 包含著非連續性而岩石不是這樣，這就說明，挖掘時要破碎岩體(ti) 的比能量必須小於(yu) 有必要斷裂岩石所需的比能量。所取得這個(ge) 結果的可能解釋或許是受壓時岩石斷裂過程比TBM挖掘時更為(wei) 有效。
SEE分析
為(wei) 了控製一台TBM的工作，就有必要分析其主要分力的挖掘比能量。比能量分力，由於(yu) 大刀盤（EEG）轉動，在正常條件下，承擔TBM挖掘時所使用能量的99%。事實上，它由三個(ge) 項組成：EEG=EEGr + EEGf+EEGε
EEGr需要讓TBM大刀盤壓住工作麵的比能量。在正常條件下，EEGr占上了總SEE的57—77%；較高值相當於(yu) 所挖掘岩體(ti) 的較高RMR等級。
EEGf用以轉動大刀盤緊貼前已被TBM刀具留下切痕地層所耗用的比能量。在正常條件下，EEGf占總挖掘比能量SEE的31 ～41%。EEGr與(yu) 此相反，EEGf較高數值相當於(yu) 低得多的RMR等級。
EEε項必須是挖掘比能量的其餘(yu) 部分，這是涉及到大刀盤作用相關(guan) 的的活動中所耗用的。這些組成大約總數的2%，因此可略而不計。
在TBM正常工作條件下，EEGr 和EEGf 如所示的那樣保持總能量各自的比例，可是當岩體(ti) 條件明顯變化變得更為(wei) 困難，EEGr比例接近耗用總能量的77% ，在這個(ge) 限值那時地層就不能夠挖掘了，它將達到100%。
在相反的例子中，當岩體(ti) 喪(sang) 失強度並且隧道工作麵變得不穩定，刀具難以變得有效率，那麽(me) 那時，另一個(ge) 分力EEGf達到總能量的100%。
為(wei) 了評價(jia) 和維持TBM有效工作，挖掘的效率指數IEE變得非常有用，並且可以在TBM運行實時計算出來，這是根據TBM推進之際記錄下來的參數，而這些數據通常每隔10秒鍾自動取得。這些，接著會(hui) 受到合同限製的是推力（kN），扭矩（kNm），轉速（轉/分鍾） 和推進率（m/s）。
根據野外測試所取得的經驗和觀察，挖掘有效性指數界定了下列TBM功能的範圍：
-假如 IEE<0.25 TBM，由於(yu) 其工作麵不穩定性，麵臨(lin) 停車的危險；
-假如025<IEE<1.75 TBM工作正常；
-假如IEE< 1.75 TBM在挖掘地層時，由於(yu) 岩體(ti) 高強度和磨耗性，會(hui) 遇到極大困難。
取決(jue) 於(yu) IEE是否低於(yu) 或者高於(yu) 1，EEGR 和EEGF 根據下式計算:
如果IEE≤1：
如果IEE≥1：
其中:
-EEG為(wei) 根據Teale （1969）轉動的總比能量
-EEGr為(wei) 當推進大刀盤轉動的比能量（MJ/m2 ）
-EEGf為(wei) 轉動大刀盤時克服摩擦的比能量（MJ/m2 ）
-Fc為(wei) 刀具的推力（kN）
-係數
根據Sanlo (Sanlo， 1985) 其中，p 是每轉的貫入度，d刀具直徑mm
-Kt為(wei) TBM類別的常數特性：
其中，N刀具數，R 大刀盤半徑m
-Ki為(wei) TBM挖掘過程的常數特性：
其中，Fc=每刀具推力（kN）
-cec為(wei) 刀具效率係數: 
RMR與(yu) SEE的關(guan) 係
TBM工作麵岩體(ti) 的RMR可以作為(wei) 挖掘的比能量的函數來估算。
根據西班牙兩(liang) 條隧道Pontones隧道二期和Sorbas隧道隧道一期，還有智利的一條Los Broncos 隧道，如下圖，圖3所示，取得了下列關(guan) 係式。
這數字可讓人們(men) 估計TBM前方所挖地層RMR的數值，如使用下列關(guan) 係式，其誤差隻在±5
r2：0,86 1＜EEGr(MJ/m3)＜40
TBM前方挖掘地層岩體(ti) 質量RMR估算最為(wei) 有用，因為(wei) 可警告迫近的不利條件，並且假如有必要，允許選擇可在TBM安裝合適的岩體(ti) 加強措施，就好像在敞開式TBM能做到的那樣。
圖3 TBM前方SEE和RMR的相互關(guan) 係，來自三條隧道的270個(ge) 數據值
注：圖中英文為(wei) 地名
實時條件
控製TBM推進的參數所提供的信息是TBM如何實時推進情況，從(cong) 而運用這些重要數據當做優(you) 化TBM推進的指導。有一個(ge) 相似的方法，雖然那時不那麽(me) 精確，但在西班牙Guadarrama米兰国际在线娱乐時使用過（Tardaguilla & Suarez ，2005）。產(chan) 自這個(ge) 項目的結果，一種稱為(wei) 《能量參數自動控製TBM》（ACT）監控係統已經開發了。這個(ge) 係統允許在實時記錄下列參數：
圖4 西班牙Sorbas 隧道TBM挖掘實時取得信息記錄
注：圖中為(wei) 西班牙文
-RMR從(cong) EEGr計算所得；
-彈性性能指數ICE根據Bieniawski et al ，2011)；
-推進TBM所需推力（kN）。
作為(wei) 實例，上麵圖4顯示了根據安裝在TBM的ACT，Sorbas 隧道實時自動記錄的數據。
該表繪圖（圖3）表示，EEGr 密切與(yu) RMR相關(guan) 。因為(wei) 兩(liang) 者可以在TBM運轉時自動記錄，並以效率指數IEF表達，指數有明顯改變的話，可以提醒駕駛員岩體(ti) 質量RMR有可能改變，從(cong) 而警告存在不利條件。
結論
挖掘比能量的概念經過修訂，並要進一步發展成能用於(yu) TBM，表示出其主要分力EEGr(轉動的比能量)還有岩體(ti) 質量（RMR）。
根據3年內(nei) 西班牙3條隧道的野外測試，挖掘效率的指數已經引入。作為(wei) 警告不利條件，實時指數一有任何重要的改變可以警告TBM駕駛員有關(guan) 岩體(ti) 質量有可能改變。