Interpretation of EPB TBM Graphical Data

Keivan Rafie & Steve Skelhorn

McNally International  

Abstract    

Tunnel  construction using  a  tunnel boring machine  (TBM)  involves  a highly  complex process 

chain.  Such  processes  generate  large  amounts  of  data  that  can  be  used  for  monitoring, 

reporting and analysis. Major TBM manufacturers have developed software systems to support 

tunnel contractors and their site teams in both data management and analysis. These programs 

are mostly web‐based and have many advantages.  

Data acquisition cannot prevent breakdowns from occurring but can facilitate investigations to 

quickly determine the root cause of a breakdown and implement corrective actions. This paper 

analyzes  these  data  acquisition  tools  and  presents  case  studies,  primarily  involving  earth 

pressure balance (EPB) TBMs, to  illustrate how the formation of critical  interpretations can be 

made from user‐defined charts and diagrams to diagnose issues and optimize TBM operational 

parameters.  

 

RÉSUMÉ La  construction  des  tunnels  à  l'aide  de  ‘Tunnel  Boring  Machine’  (TBM)  est  un  processus 

complexe.  Ce  type  de  procédure  génère  un  grand  nombre  de  données  qui  peuvent  être 

utilisées  pour  la  surveillance,  le  signalement  et  l'analyse.  La  plupart  des  fabricants  de  TBM 

développent des logiciels qui aident les ingénieurs et leur équipe dans la gestion et l’analyse de 

données.  La  plupart  de  ces  logiciels  sont  accessibles  sur  le  web  et  offrent  de  nombreux 

avantages. Cet exposé se penche sur l’utilisation de cet outil et présente des études de cas qui 

démontrent  l’importance  que  les  interprétations  des  graphiques  et  diagrammes  défini  par 

l’utilisateur  peuvent  avoir  pour  diagnostiquer  et  optimiser  les  paramètres  opérationnels  du 

TBM. 

Introduction  The storage and visualization of measured values acquired by sensors and recorders is a crucial 

element of TBM tunneling. All of the work being performed by the machine  is documented  in 

terms of the recorded data to allow the complete or partial tracing of the tunnel construction in 

real‐time or after completion.  

This  information could help engineers and operators examine a very  large and complex set of 

data related to TBM operation that cannot be ascertained in the field by the TBM engineers or 

work crew, particularly when visualized  in a graphic  format. The examples of measured data 

and sample graphs presented in this paper are mainly taken from Earth Pressure Balanced (EPB) 

TBMs, but  the  logic behind  the  interpretation of  these examples can also be applied  to data 

from hard rock or slurry TBMs. 

TBM Data Acquisition and Visualization System  The  purpose  of  a  TBM  data  and  acquisition  system  can  be  summarized  as  the  "acquisition, 

processing, storage, display and evaluation of all data connected to the tunneling machine." A 

TBM  data  acquisition  system  continuously  records  and  visualizes  all  measured  data  in  a 

predefined  cycle.  Logging,  however,  occurs  only  at  specific  times.  The  average  time  period 

between  logs can be  individually selected for each measuring point but  is set to 10 s for most 

parameters.  

The  operating  phases  of  the  tunneling machine  are  generally  classified  according  to  three 

periods: advance, ring building and standstill. These three phases form a unit called a ring. The 

data  for each ring are usually stored  in separate consecutively numbered  files. An  immediate 

correlation  to  the  respective construction phase can be made based on  the  ring number,  file 

date  and  file  time.  The measured  data  acquisition  program  automatically  opens  after  each 

system restart and  loads all required program components  into  its memory.  It  then acquires, 

stores and visualizes the currently available measured data. 

 

TBM PLC and Data Acquisition System 

Interpretation of TBM Operational Graphs in Case Studies  

Some of the most common graphs representing the general status of TBM operations are ram 

extension,  rate  of  advance  (ROA),  thrust  force,  cutter  head  torque,  EPB/slurry  pressures, 

weight/volume  of  excavated  material,  and  grout  volume.  Of  course,  illustrating  too  many 

parameters  on  one  chart  makes  interpretation  more  difficult,  so  there  must  always  be  a 

compromise between amount of information given and the clarity of the graphics.  

EPB Pressure Graphs  Case Study 1:  

In  successful EPB operation,  face pressures  should be maintained at all  times and monitored 

with  the data  acquisition  system. Pressure of material  in  the  chamber  could be  assessed by 

information  available  from EPB  cells. TBM operator  closely monitors excavated material  and 

adjusts  the  type  and  amount  of  water,  bentonite,  polymers,  and  foam  to  ensure  that  the 

material is properly forming a plug to resist piezometric and ground pressures.  

Below graphs  from pressure cell data are among  the most used graphs  in EPB  tunneling and 

demonstrate the difference between correct (A) and incorrect (B) operation. Excavations similar 

to  graph  (A)  result  in  safe  and  steady  progress while  performances  similar  to  graph  (B)  are 

usually linked with significant loss of ground and surface settlement. 

 

 

(A) Maintaining face pressures in proper TBM operation 

 

(B) Pressure drop during excavation  

Case Study 2: 

The EPB pressures for the top, middle and bottom sensors used in this case study are presented 

in the graph below, which shows that the bottom sensors record higher pressures due to the 

higher density and greater compaction of the excavated material.   The top sensors record the 

least pressure and  fluctuation because they have  less direct contact with the soil and mud  in 

the chamber. 

 

EPB pressures for the top, middle and bottom sensors 

   EPB (Top)     EPB (Middle)     EPB (Bottom) bar  bar  bar 

 

The proper estimation of material contact and density in an excavation chamber is important in 

multiple stages of a project. It is common practice for the operator to perform and complete an 

excavation with full  level of material  in chamber when using EPB TBMs. However, TBMs must 

sometimes  be  operated  in  semi‐open,  in  which  only  portion  of  the  face  is  balanced  by 

excavated material. These operating conditions are generally determined by engineers based 

on the ground conditions and stoppage time. Compared to the semi‐open mode, full material 

contact  in  a  chamber  requires  more  thrust  and  torque  from  the  TBM  and  increases  the 

equipment wear and  the cost of  replacing excavation  tools on  the cutter head. Working  in a 

semi‐open mode could alleviate these issues but is not advisable if there is a high risk of ground 

collapse and overexcavation. Other scenarios, such as preparation for cutter head maintenance 

or leaving the TBM unused for long periods of time, could also influence decisions regarding the 

level of material that should be present in a chamber during tunneling operations. 

Case Study 3:  

Smooth rise (or drop) in EPB graph lines indicates the passage of gaseous or liquid material into 

(or out of) the excavation chamber which occurs mostly during the TBM ring build phase. Soft 

rising curves may be the result of ground water filling the chamber or the  injection of ground 

conditioning material (foam, water or compressed air). A smooth drop in cell pressure suggests 

the leakage of air or water through porous ground, a tail shield, purge line or screw conveyor. 

 

 

Smooth rise (or drop) in EPB graph lines 

 Thrust, Cutterhead Torque, RPM and Rate of Advance  Higher advance rates in TBMs are generally achieved in two ways. 

A)  A  higher  cutterhead  rotation  speed, which  increases  the  distance  that  cutters  or 

rippers  travel  and  thus  their  work  per  unit  time  (mm  per  min).  In  this  case,  the 

cutterhead torque will  increase. An  increase  in cutterhead torque can also result  from 

other  factors  such  as  poor  ground  conditioning  or  high  material  density  in  the 

excavation chamber. 

B) Higher  forward  forces  in TBM cylinders  to make cutters and  rippers excavate more 

intensively, thereby increasing the cut depth per cutterhead rotation.  In this case, both 

the TBM thrust force and its torque will increase. The TBM thrust can also be increased 

due  to  shield  friction with  the ground or  the TBM’s pulling  force due  to  its weight  (a 

factor discussed later in conjunction with contact force). 

 

Case Study 4: 

Scenario  (B)  is  illustrated  in  the  graph  below.  The  cutterhead  rotation  speed  is  set  at 

approximately 2 rpm, so the occasional increase in torque is due to higher thrust forces exerted 

by the propulsion cylinders at that moment and increases the rate of advance. 

 

 Higher thrust forces and increased rate of advance 

   C/H     Torque     ROA     Thrust 

RPM  ton‐m  mm/min tons  

It should be noted  that higher efficiency  is usually achieved  in soft ground with a  lower RPM 

and higher thrust forces for deeper excavations, whereas cutters break into hard rock by rolling 

on it. Therefore, better advance rates occur with higher RPMs.  

 

Cutter Head Contact and TBM Thrust Forces  The  graphical  representation  of  the  relationship  between  thrust  and  contact  force  is mainly 

used to identify any opposing forces to the TBM other than the excavation face.  In general, the 

TBM thrust  is used to maintain EPB pressure, push the material  in the chamber, and pull the 

gantries and frictional forces of the shield.  

 TBM contact and thrust forces synchronized in their fluctuations 

 

The thrust  left over from propulsion energy  is consumed by the cutterhead  in the form of the 

contact force required to cut through the ground. Because the parameters other than contact 

force are relatively constant during normal TBM operation, TBM contact and thrust forces are 

typically synchronized  in their  fluctuations. Therefore, any mismatch  in the graphical patterns 

between these two forces suggests a status change  in other parameters and usually  indicates 

an obstacle during operation. 

Case Study 5: 

The theoretical graphs below show a sudden drop in contact force despite a constant increase 

in  the  thrust  force  (Graph  A).  These  data  could  indicate  collapsed  ground  around  the  TBM 

shield or an entrapped gantry back  in the tunnel.   Variations between the contact and thrust 

force that are more gradual could result from a change in tunnel slope or the accumulation of 

heavy, dense material in the chamber (Graph B). 

 

      

Graph A: Sudden drop in contact force           Graph B: Gradual drop in contact force 

 

 Sudden drops in contact force while TBM thrust force is increasing 

 Identifying Overexcavation  

Most EPB machines today are equipped with weight sensors and laser scanners to estimate the 

weight and volume of excavated ground. The theoretical weight and volume that a TBM data 

acquisition  system  is  expected  to  show  is  usually  calculated  manually  based  on  the  TBM 

dimensions, ground properties and advancing distances. These figures are compared with the 

quantities shown on TBM graphs to check for overexcavation. This information is also useful in 

the analysis of excessive volume loss and settlement. 

 

 Typical weight scaling system on TBM conveyor 

Case Study 6: 

TBM advance with overexcavation can generally be recognized on TBM data graphs by a higher‐

than‐normal  grade  in  the  excavation  weight  or  volume  line.  For  example,  the  following 

theoretical  graph  illustrates  three  sets of data  from different  advances.  Line A, which  is  the 

typical advance at a constant rate of excavation,  is usually the preferred scenario and ensures 

the consistency of other parameters, such as ground conditioning and screw conveyor speed 

during the push. 

 3 scenarios for excavation weight/volumes 

 

Compared  to  Line  A,  Line  B  has  a  steeper  increase  at  the  beginning  and  end  of  excavation 

period and ends at a higher value. This condition can be interpreted as general overexcavation. 

Line C  represents a normal extraction scenario, except  for a very sudden  increase over short 

period of time that could  indicate overexcavation with a sudden rush of material through the 

screw conveyor and out of the chamber. However, other aspects, such as those stated below, 

must be considered to achieve a realistic understanding of the data. 

1‐ The higher  grades  in  the  graph  lines based on material weight  and  volume  can be  a 

result of higher advance rates. Thus, the final excavation values must be checked. The 

screw conveyor rotation speed in those time periods can provide insight as to whether 

the high extraction rates were intentional or due to ground conditions. 

 

 Weight scale data showing higher quantity of excavated material for last 2 advances 

 

2‐ The theoretical material weight depends on the advance distance of the TBM and  the 

density of the intact rock, but other factors, such as added water or ground conditioning 

agents, should also be considered.   In regard to ground conditioning material, only the 

liquid portion will affect the material weight, so the foam expansion ratio (FER) should 

not be considered in calculations. The FER of the ground conditioning material added to 

the  chamber has no effect on  the weight  calculations but  should be  considered with 

regard  to  the material bulking  factor when  scanned by a  laser on a conveyor belt  for 

volumetric data. 

 

3‐ Comparing the weight and volume data/graphs of different advances makes sense only 

if  the  level  of material  in  the  chamber  after  each  advance  remains  full  or  relatively 

constant.   For example,  if an operator has started an advance with a half‐full chamber 

and decides to fill the chamber to its maximum level, less material will be extracted and 

shown in the data, even though the same amount of material has been excavated from 

the  ground.  On  the  other  hand, when  a  TBM  chamber must  be  emptied  during  an 

advance (e.g., the last advance before cutterhead maintenance), the TBM data will show 

a  higher  amount  of  extracted  material  than  average.  To  eliminate  this  problem, 

engineers also look at the rolling average of values for several consecutive rings, which 

eliminates the effect of chamber space and gives a more realistic picture of the scenario 

to identify possible overexcavation. 

 

 

 TBM parameters to be checked by operator to assess theoretical weight/volume 

 

4‐ Added water should be considered  in theoretical calculations. Occasionally, depending on  ground  conditions,  most  of  the  injected  water  is  absorbed  by  the  ground,  and 

sometimes added water only replaces the water in saturated soils. 

 

5‐ The calibration of weight scales and laser scanners must be part of a contractor’s regular 

maintenance  program.  Some weight  sensors  are  very  sensitive  to misalignment  and 

curves  in  the TBM conveyor belt, while  laser  scanners could have  inaccurate  readings 

depending on  their position and air/light  interference,  such as dust. Utilizing  two belt 

scales and observing their averages can also aid in identifying errors and obtaining more 

realistic results. 

 

Grouting System  Two‐component  grouting  (A+B)  systems  through  the  tail  shield  have  been  one  of  the most 

problematic areas in TBM tunneling. Proper grouting is important to prevent ground movement 

and surface settlement due to volume  loss at the tail void. Grouting also stabilizes segmental 

lining in the ground and improves a tunnel’s watertightness. 

Information  available  in  TBM  data  acquisition  systems  can  show  early  signs  of  system 

malfunctions and  indicate which components require attention or which control settings need 

to be modified. 

TBM data loggers typically record flow, pressure and volume parameters for each grout line. To 

check  the  quality  of  grouting  behind  segments  and  ensure  that  the  correct  dosage  of 

accelerator (B) is mixed with part (A), TBM data for injected volumes should be checked against 

the theoretical volume of voids behind the segments. Gauge cutter wear should be considered 

in  theoretical  calculations,  particularly  for  larger  TBMs.  Understanding  the  bore  and  cut 

diameters in hard and soft ground types can also lead to more accurate calculations.  

If the grouting volumes are lower than their theoretical values, other data must be checked to 

identify and solve the problem. The simultaneous spike in grout pressure and halt of grout flow 

in the diagram below is commonly an indication of blockage in the line. If grout volumes cannot 

be  achieved when  all  lines  are  in  operation,  then  the  pre‐sets  and  cutoff  levels  should  be 

checked. Generally,  grout pressures must overcome hydrostatic pressures by 1‐2 bar behind 

segments. 

 

Case Study 7: 

 

Grout pressure without flow, showing the blockage in lines 

 

If grouting volumes are higher than their theoretical values, assessments must be performed to 

identify any  channeling of grout  to  the  surrounding environment or  leakage  through  the  tail 

shield.  In some  instances, high‐pressure grout  finds  its way to the excavation chamber, mixes 

with the excavated material and exits through the screw. 

 

 Grout lines 5 and 6 showing spikes in pressure which is usually associated with temporary blockage  

 Propulsion Cylinders and Ring Build    

Information and graphs derived from TBM data on propulsion cylinders can be used to analyze 

several aspects of their operation, including ring build and steering. These data can also explain 

damage  to  segments  that  occurs  after  installation.  TBM  data  acquisition  systems  generally 

display the pressures and extension of ram groups using the sensors on a representative ram 

from that group. The  figure below shows  information collected on 19 rams  in 6 groups  (A‐F). 

The location of each group’s representative ram is shown in black. 

 

 

19 rams collected in 6 groups (A‐F);  

the location of a representative ram from each group is shown in black 

Case Study 8: 

The graph below shows the pressures applied to group of segments during ring erection. The 

lines  representing each group  show a  sudden  jump  from  zero,  indicating  that  the  rams have 

been extracted  to hold each segment after  its erection. The  lines also  indicate common slow 

pressure loss due to micro‐movement of the TBM and ring compression in the tunnel. However, 

an excessive loss of pressure in any group could loosen the adjacent segment and cause vertical 

(step) and horizontal (gap) misalignments. 

 

 Ram pressures applied to segments during ring erection 

 

Pressure (bar) 

Time (min)

On the other hand, excessive pressures on cylinders can cause damage, particularly around the 

circumferential  joints  of  the  segments  in  front  of  the  cylinders.  Ring  build  reports  from  the 

guidance system (as shown below) must be studied in conjunction with ram pressure graphs to 

confirm the location of segments in relation to the propulsion cylinders and explain the damage 

incurred. 

 

Sample ring build report from the guidance system 

Conclusion  

The  graphical  representation  and  measured  values  of  TBM  data  can  assist  contractors  by 

providing  information  that helps  TBM  crews  increase  the  reliability  and productivity of  TBM 

operations. Such an advantage would ultimately lead to fewer breakdowns and lower tunneling 

expenses. Data acquisition and visualization alone does not benefit  the contractor unless  the 

data  is  accurately  interpreted.  The  utilization  and  correct  interpretation  of  data  acquisition 

systems’ outputs could greatly enhance the control of the excavation and operation of various 

tunnel  boring  machine  systems.  As  TBMs  grow  in  size  and  complexity,  advances  in  data 

monitoring  and  presentation  to  optimize  TBM  parameters  will  likely  continue  as  well.  The 

correct interpretation of these data is essential for the effective utilization of these tools and to 

ensure efficient and productive tunneling operations. 

The  key  to  success  in  EPB  tunneling  is  proper  engineering  combined  with  experienced 

operators. Data acquisition cannot prevent breakdowns  from happening but allows  the  rapid 

identification of  the  root cause of a breakdown and  the  timely  implementation of corrective 

actions.