The Application of Tunnel Boring Machines to Bad Rock Conditions

SUMMARY: High speed tunnelling rate and the ability to advance the tunnel heading while creating little disturbance to the stability of rock formations are two of the most important advantages in the use of full face tunnel boring machines. However, if a machine does not accomplish both of these objectives better than conventional drill and blast methods, it may be a liability to the job. The major reasons for the misapplication of TBM’s stem from a lack of understanding on the part of owners, contractors and manufacturers of two things: 1. what ground conditions will be encountered as the tunnel advances 2. what features should be incorporated in the machine to seccessfully cope with these geologic conditions. The selection may depend on the degree of instability expected in the ground and the rate at which failure will occur. The rate of failure in overstressed rock is proportional to the ratio of the rock stress to the apparent rock mass strength. Water may or may not be present and in many locations such as Spain, The U.S.S.R. and the U.S.A, good advance rates have been maintained while boring through high water in flow at the face. However, at these same locations when the water washed in large quantities of fine or crushed material from fault zones or unconsolidated layers the heading advance was completely stopped. Zusammenfasung: Hohe Bohrgeschwindigkeit und die Faehigkeit, die Ortsbrust mit geringer Stoerung des Gebirges vorzutreiben, sind zwei der wichtigsten Vorteile in der Anwendung von VollschnittTunnelbohrmaschinen. Wenn eine Maschine jedoch diese beiden Ziele nicht besser erreichen kann als traditionelle Bohrungs- und Sprengmethoden, koennte sie das Projekt negativ baeinfIussen. Die Hauptgruende fuer Fehlanwendung der Tunnelbohrmaschinen liegen in dem Missverstaendnis von zwei Problemen seitens der Besitzer, Unternehmer und Fabrikanten: 1. welche Gesteins- Verhaeltnisse werden waehrend des Tunnelfortschrittes vorgefunden 2. welche Merkmale sollte die Maschine aufweisen, um diese geologischen Verhaeltnisse erfolgreich zu meistern. Die Wahl kann auf dem im Boden erwarteten Unbestaendigkeitsgrad und der Versagung- Shaeufigkeit beruhen. Die Versagungshaeufigkeit in Ueberbeanspruchtem Gestein ist proportional zu der augenscheinlichen Gesteinsmassenstaerke. Gute Fortschrittsgrade sind mit oder ohne Wasser beim Durchbohren von an der Vorderseite vorbeifliessendem Hochwasser unter anderem in Spanien, Russland und den Vereinigten Staaten seit Iaengerer Zeit erzielt worden. Wenn das Wasser in solchen Gebietan jedoch grosse Mengen von feinen oder Zerdrueckten Substanzen aus Verwerfungen oder nicht kompakten Lagen hereinbringt, wird der Tunnelvortrieb Vollstaendig zum Halt gebracht. RESUME: Le forage à grande vitesse et la possibilité d’avancer une galerie, en même temps causant seulement une perturbation négligeable a la stabilité de formations rocheuses, sont les deux avantages les plus importants avec l’usage de plein-face foreuses. Néanmoins, quand une machine n’achève pas ces deux buts mieux que les méthodes traditionelles de forage, le projet peut en souffrir. 828 Il faut chercher la raison principale d’une mauvaise application de foreuses mécaniques dans un manque de compréhension de deux choses de la part des propriétaires, entrepreneurs et fabricants: 1. quelles seront les conditions de terrain que l’on va rencontrer quand la galerie avance 2. quelles sont les caractéristiques a incorporer dans la machine pour Le choix peut se faire selon le degré l’instabilité attendu dans le sol et la fréquence des fautes. Cette fréquence de fautes dans une roche surcompressée est proportionelle au rapport entre la tension de la roche et la résistance apparente de la masse des roches. Il peut y avoir de l’eau ou non, mais de bons taux d’avance ont été maintenus en beaucoup d’endroits, par example en Espagne, en Union Soviétique et aux Etats Unis, avec le forage ou de très fort écoulements d’eau était présent à la face. Toutefois, l’avance de la galerie était complètement arreté aux mêmes endroits, quand l’eau entraînait de grandes quantités de matériaux fins ou concassés originant däns des zones de faille ou dans des couches non-consolldées. Tunnel boring machines, especially fullface machines for boring rock formations have been used on more challenging jobs as the capability of these machines has developed over the years.