Operational Volatility and Disc Cutter Damage in Mixed-Face Hard-Rock TBM Tunnelling: A Field-Based Case Study

Abstract

Contact and produce unstable machine response. This study examines Rings 4359–4367 of the Mae Taeng–Mae Ngud diversion tunnel, Thailand, excavated by TBM #2, a Terratec Double Shield TBM equipped with 17-inch disc cutters. The analysis combines 5-s TBM operational records aggregated at ring scale, index-based UCS estimates from RockSchmidt Type N rebound-hammer testing, geological transition evidence, and direct inspection of retrieved cutters linked to the interval. Non boring records were removed by excluding records with penetration per revolution equal to 0 mm/rev. Specific Energy was calculated from boring-only records and averaged by ring, while thrust variability was represented by the coefficient of variation of thrust within each ring. The UCS–Specific Energy relationship was weak and statistically non-significant (R = −0.237, p = 0.539), indicating that index-based intact strength alone did not explain the excavation response in this short transition zone. The strongest relationship was the inverse association between Specific Energy and Thrust COV (R = −0.819, p = 0.007). This pattern shows that bulk excavation energy and within-ring thrust variability did not increase together; instead, the highest Thrust COV values occurred in mixed-face rings where ring-averaged Specific Energy was relatively low. Retrieved cutters showed chipping, mushrooming, and ring breakage, supporting a damage-focused interpretation rather than ordinary progressive wear alone. The results support an interval-scale diagnostic framework that combines geological evidence, ring-scale energy response, thrust variability, and cutter inspection. Because direct cutter-scale force histories were not available, Thrust COV is interpreted as an instability indicator rather than as a direct impact-load proxy.

Keywords: Disc cutter damage; Disc cutter failure; Mixed-face hard-rock TBM tunnelling; Specific Energy; Thrust variability; Thrust coefficient of variation; Retrieved cutter inspection; Field-based diagnostic case study

บทคัดย่อ

ความเสียหายของดิสก์คัตเตอร์ อาจกลายเป็นปัญหาวิกฤตในการขุดเจาะอุโมงค์หินแข็งด้วย TBM โดยเฉพาะในช่วงเปลี่ยนผ่านหน้าตัดผสมระยะสั้น ซึ่งทำให้การสัมผัสระหว่างคัตเตอร์และชั้นดินหินไม่ต่อเนื่อง และก่อให้เกิดการตอบสนองของเครื่องจักรที่ไม่เสถียร การศึกษานี้วิเคราะห์ วงแหวนที่ 4359–4367 ของอุโมงค์ผันน้ำแม่แตง–แม่งัด ประเทศไทย ซึ่งขุดเจาะโดย TBM หมายเลข 2 ประเภท Terratec Double Shield TBM ติดตั้งดิสก์คัตเตอร์ขนาด 17 นิ้ว การวิเคราะห์ประกอบด้วยข้อมูลการทำงานของ TBM ที่บันทึกทุก 5 วินาทีและรวบรวมในระดับวงแหวน ค่า UCS ที่ประมาณจากการทดสอบ RockSchmidt Type N หลักฐานทางธรณีวิทยาในช่วงเปลี่ยนผ่าน และการตรวจสอบคัตเตอร์ที่เก็บกู้ได้จากช่วงดังกล่าวโดยตรง บันทึกขณะไม่ได้เจาะถูกคัดออกโดยตัดระเบียนที่มีค่าการเจาะต่อรอบเท่ากับ 0 มม./รอบ ออกไป จากนั้นคำนวณ Specific Energy (พลังงานจำเพาะ) เฉพาะจากระเบียนขณะเจาะ แล้วหาค่าเฉลี่ยรายวงแหวน ส่วนความแปรปรวนของแรงดัน (Thrust) แทนด้วยค่าสัมประสิทธิ์การแปรผัน (COV) ของแรงดันภายในแต่ละวงแหวน ความสัมพันธ์ระหว่าง UCS และ Specific Energy มีค่าต่ำและไม่มีนัยสำคัญทางสถิติ (R = −0.237, p = 0.539) บ่งชี้ว่าความแข็งแกร่งของหินแบบดัชนีเพียงอย่างเดียว ไม่สามารถอธิบายการตอบสนองการขุดเจาะในช่วงเปลี่ยนผ่านระยะสั้นนี้ได้ ความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งที่สุดคือ ความสัมพันธ์ผกผันระหว่าง Specific Energy และ Thrust COV (R = −0.819, p = 0.007) รูปแบบนี้แสดงให้เห็นว่าพลังงานการขุดเจาะโดยรวมและความแปรปรวนของแรงดันภายในวงแหวนไม่ได้เพิ่มขึ้นพร้อมกัน แต่ค่า Thrust COV สูงสุดกลับเกิดขึhนในวงแหวนหน้าตัดผสม ซึ่ง Specific Energy เฉลี่ยรายวงแหวนอยู่ในระดับค่อนข้างต่ำ คัตเตอร์ที่เก็บกู้มาพบความเสียหายในรูปแบบ การแตกเป็นเสี้ยว (chipping) การบานออก (mushrooming) และการแตกของวงแหวนคัตเตอร์ (ring breakage) สนับสนุนการตีความในแง่ความเสียหายเป็นหลัก มากกว่าการสึกหรอแบบค่อยเป็นค่อยไปตามปกติ ผลการศึกษาสนับสนุน กรอบการวินิจฉัยระดับช่วงที่ผสมผสานหลักฐานทางธรณีวิทยา การตอบสนองพลังงานระดับวงแหวน ความแปรปรวนของแรงดัน และการตรวจสอบคัตเตอร์เข้าด้วยกัน เนื่องจากไม่มีข้อมูลประวัติแรงในระดับคัตเตอร์โดยตรง Thrust COV จึงถูกตีความว่าเป็น ตัวชี้วัดความไม่เสถียร มากกว่าการแทนค่าแรงกระแทกโดยตรง

คำสำคัญ: ความเสียหายของดิสก์คัตเตอร์, ความล้มเหลวของดิสก์คัตเตอร์, การขุดเจาะอุโมงค์หินแข็งด้วย TBM แบบหน้าตัดผสม, พลังงาน จำเพาะ, ความแปรปรวนของแรงดัน,  สัมประสิทธิ์การแปรผันของแรงดัน, การตรวจสอบคัตเตอร์ที่เก็บกู้, กรณีศึกษาวินิจฉัยเชิงสนาม