作者注：
本文是由美国亚力松纳州Bieniawski设计公司的Richard Z T Bieniawski教授，西班牙马德里GeoControl 公司的Benjamin Caleda、Isidoro Tardaguila和 Alejandro Rodrigues 合著论文“挖掘的比能量帮助探测TBM前方隧道挖掘条件实时变化”编辑版。
挖掘的比能量定义为挖掘过程中以兆焦耳（MJ）表示的能量和挖掘土体积m3之间的方程式表达。
SEE的概念已经被运用了数十年，用以来帮助评估岩体内钻进和挖掘的效率。首先在石油工业内报道过（Teale，1965），这是一个可以在实时从一台钻机或一台TBM运转性能记录中确定的参数。此外，能使这个参数特别吸引人的就是其与岩体的机械性质的相互关系（Acaroglu et al 2008）。
过去3年中，西班牙马德里GeoControl公司对来自西班牙工业发展中心(CDTI)的部分让予进行了调查，利用SEE让岩体特性化供TBM使用。作为努力的结果（GeoControl，2011），本文介绍这些新科研成果来评估挖掘过程和TBM推进之际，估计岩体质量和其他主要特性。
依靠性
挖掘比能量取决于岩体条件和挖掘过程。Cock和Joughim，1970）完成测试，检验了南非金矿内石英质岩体各种挖掘方法。其单轴抗压强度恐会超过200MPa。他们利用经研究的每个方法测定SEE，作为各种岩石破碎过程所产生的碎块尺寸的函数。其结果在图1（下方）所示：
图1 各种挖掘方法的能量消耗和岩石破碎尺寸间的关系图（单位：mm）
本图可引出重要结论，SEE与碎石过程所产生的碎块尺寸呈指数关系，还有，炸药挖掘所耗用的能量是本研究所进行的各种方法中最少的。TBM挖掘处于该范围的中间部分。
计算
挖掘比能量可以利用Teale方程式（Teale，1965）计算。他是第一位公布了钻掘大直径样本石块过程中使用比能量研究结果。他建议钻掘的比能量EEP可以利用下列方程式计算：
其中：
EEP是钻掘的比能量（MJ/m2）
F 总推力（kN）
A 钻掘的面积（m2）
ω转速（rev/s）
T扭矩（kNm）
u 钻进率（m/s）
上述等式的第一部分相当于施加推力时与之成比例的能量，而第二部分钻头转动所耗用的能量。
假如有人对每次转动使用比贯入率的概念
，那么上述方程式为
。
Teale(1965)表明
仅占总能量的百分之一，因而在实际使用目的时，可以忽略。
GeoControl在西班牙（2009-2010）Pontones隧道进行野外测试时，那时海瑞克单护盾TBM正在挖掘。上述方程式经过考验，那时挖掘的SEE计算出来了。还有如果是大直径钻掘，推力分力相当于正常情况之下总能量的百分之一。可是，如果TBM受困，这个分力可以达到能量的30%，这样的数字再也不能忽略。
相应地，TBM挖掘隧道时，它可以如此表示：
在这个等式中，第一个分力(
)表示推进TBM所耗用的比能量（正如表明的那样，大多数情况下，大约为总数的1%），而第二项(
)转动大刀盘（也就是实际上在岩体内发生挖掘）的比能量。
实验室测试
受压时岩石断裂过程的比能量也可以在实验室内从完整的应力-应变曲线中确定，这样的曲线来自岩石样本按照高刚度，在伺服控制压力机上所取得的；受压测试时比能量值EEC与沿应变轴线的曲线下方面积相重合，正如图2，下面所说明。
图2 使用单轴压缩条件下的全部应力-应变曲线来确定实验室岩石断裂比能量EEC
实验室/工地比较
现场挖掘的比能量比实验室测试的断裂比能量要大得多。从西班牙Pontones隧道TBM挖掘所取得数据可知，挖掘比能量SEE，根据各种岩石质量（RMR）数值，可以计算出来，就此获取结果说，当RMR<35， SEE 小于10MJ/m2 而当RMR>45时，SEE大于32 MJ/m2 。同时，在单轴向压力测试来自隧道岩石构造完整岩石样本时，使用了伺服控制机，EEC（实验室）的数值比野外SEE的数值要小10—20倍。这样的结果，似乎是矛盾的，无论如何，由于岩体包含着非连续性而岩石不是这样，这就说明，挖掘时要破碎岩体的比能量必须小于有必要断裂岩石所需的比能量。所取得这个结果的可能解释或许是受压时岩石断裂过程比TBM挖掘时更为有效。
SEE分析
为了控制一台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，由于大刀盘（EEG）转动，在正常条件下，承担TBM挖掘时所使用能量的99%。事实上，它由三个项组成：EEG=EEGr + EEGf+EEGε
EEGr需要让TBM大刀盘压住工作面的比能量。在正常条件下，EEGr占上了总SEE的57—77%；较高值相当于所挖掘岩体的较高RMR等级。
EEGf用以转动大刀盘紧贴前已被TBM刀具留下切痕地层所耗用的比能量。在正常条件下，EEGf占总挖掘比能量SEE的31 ～41%。EEGr与此相反，EEGf较高数值相当于低得多的RMR等级。
EEε项必须是挖掘比能量的其余部分，这是涉及到大刀盘作用相关的的活动中所耗用的。这些组成大约总数的2%，因此可略而不计。
在TBM正常工作条件下，EEGr 和EEGf 如所示的那样保持总能量各自的比例，可是当岩体条件明显变化变得更为困难，EEGr比例接近耗用总能量的77% ，在这个限值那时地层就不能够挖掘了，它将达到100%。
在相反的例子中，当岩体丧失强度并且隧道工作面变得不稳定，刀具难以变得有效率，那么那时，另一个分力EEGf达到总能量的100%。
为了评价和维持TBM有效工作，挖掘的效率指数IEE变得非常有用，并且可以在TBM运行实时计算出来，这是根据TBM推进之际记录下来的参数，而这些数据通常每隔10秒钟自动取得。这些，接着会受到合同限制的是推力（kN），扭矩（kNm），转速（转/分钟） 和推进率（m/s）。
根据野外测试所取得的经验和观察，挖掘有效性指数界定了下列TBM功能的范围：
-假如 IEE<0.25 TBM，由于其工作面不稳定性，面临停车的危险；
-假如025<IEE<1.75 TBM工作正常；
-假如IEE< 1.75 TBM在挖掘地层时，由于岩体高强度和磨耗性，会遇到极大困难。
取决于IEE是否低于或者高于1，EEGR 和EEGF 根据下式计算:
如果IEE≤1：
如果IEE≥1：
其中:
-EEG为根据Teale （1969）转动的总比能量
-EEGr为当推进大刀盘转动的比能量（MJ/m2 ）
-EEGf为转动大刀盘时克服摩擦的比能量（MJ/m2 ）
-Fc为刀具的推力（kN）
-系数
根据Sanlo (Sanlo， 1985) 其中，p 是每转的贯入度，d刀具直径mm
-Kt为TBM类别的常数特性：
其中，N刀具数，R 大刀盘半径m
-Ki为TBM挖掘过程的常数特性：
其中，Fc=每刀具推力（kN）
-cec为刀具效率系数: 
RMR与SEE的关系
TBM工作面岩体的RMR可以作为挖掘的比能量的函数来估算。
根据西班牙两条隧道Pontones隧道二期和Sorbas隧道隧道一期，还有智利的一条Los Broncos 隧道，如下图，图3所示，取得了下列关系式。
这数字可让人们估计TBM前方所挖地层RMR的数值，如使用下列关系式，其误差只在±5
r2：0,86 1＜EEGr(MJ/m3)＜40
TBM前方挖掘地层岩体质量RMR估算最为有用，因为可警告迫近的不利条件，并且假如有必要，允许选择可在TBM安装合适的岩体加强措施，就好像在敞开式TBM能做到的那样。
图3 TBM前方SEE和RMR的相互关系，来自三条隧道的270个数据值
注：图中英文为地名
实时条件
控制TBM推进的参数所提供的信息是TBM如何实时推进情况，从而运用这些重要数据当做优化TBM推进的指导。有一个相似的方法，虽然那时不那么精确，但在西班牙Guadarrama隧道施工时使用过（Tardaguilla & Suarez ，2005）。产自这个项目的结果，一种称为《能量参数自动控制TBM》（ACT）监控系统已经开发了。这个系统允许在实时记录下列参数：
图4 西班牙Sorbas 隧道TBM挖掘实时取得信息记录
注：图中为西班牙文
-RMR从EEGr计算所得；
-弹性性能指数ICE根据Bieniawski et al ，2011)；
-推进TBM所需推力（kN）。
作为实例，上面图4显示了根据安装在TBM的ACT，Sorbas 隧道实时自动记录的数据。
该表绘图（图3）表示，EEGr 密切与RMR相关。因为两者可以在TBM运转时自动记录，并以效率指数IEF表达，指数有明显改变的话，可以提醒驾驶员岩体质量RMR有可能改变，从而警告存在不利条件。
结论
挖掘比能量的概念经过修订，并要进一步发展成能用于TBM，表示出其主要分力EEGr(转动的比能量)还有岩体质量（RMR）。
根据3年内西班牙3条隧道的野外测试，挖掘效率的指数已经引入。作为警告不利条件，实时指数一有任何重要的改变可以警告TBM驾驶员有关岩体质量有可能改变。