基于決策樹模型的隧道涌水概率快速判別方法

李曉山

（華邦建投集團股份有限公司，甘肅 蘭州）

1 決策樹模型

對隧道涌水位置及可能性判斷可以根據(jù)項目組長期巖溶區(qū)的涌水位置預(yù)測經(jīng)驗，采用決策樹法進行定量化判斷。

決策樹(Decision Tree)是在已知各種情況發(fā)生概率的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)成決策樹來求取期望值大于等于零的概率，評價項目風(fēng)險，判斷其可行性的決策分析方法，是直觀運用概率分析的一種圖解法[1]。決策樹模型示意如圖1 所示。

圖1 決策樹概念模型

2 隧道涌水判斷決策樹模型的建立

2.1 參數(shù)選取

對于隧道涌水預(yù)測而言，根據(jù)隧道巖溶水文地質(zhì)情況，進行涌水可能性預(yù)測判斷（決策點）。選擇的方案包括：①特大型涌水；②大型涌水；③中型涌水；④小型涌水；⑤滲水不發(fā)生涌水（方案枝）。選擇的狀態(tài)點包括：①隧道洞身揭露的區(qū)域巖溶層段；②巖溶水系統(tǒng)類型及規(guī)模；③隧道洞身所處巖溶水動力垂向分帶；④隧道洞身所處巖溶水動力橫向分帶；⑤隧道洞身的溶洞、溶蝕帶及各種巖溶結(jié)構(gòu)面發(fā)育強度和空間位置（方案枝），見表1。

表1 基于決策樹的隧道涌水預(yù)測參數(shù)

具體的指標包括巖溶發(fā)育強弱、巖溶水系統(tǒng)類型和面積、隧道所處的巖溶水系統(tǒng)垂直水動力帶位置、隧道所處的巖溶水系統(tǒng)橫向水動力帶部位、巖溶結(jié)構(gòu)面發(fā)育強度和空間位置（狀態(tài)枝）[2]。

2.2 建立模型

根據(jù)所選參數(shù)，通過五種方案的狀態(tài)枝進行組合分析建立涌水可能性快速判別的決策樹模型，對于某一隧道的具體里程，只要按照模型的狀態(tài)條件進行統(tǒng)計，然后把相關(guān)參數(shù)帶入決策樹模型，就可以實現(xiàn)涌水可能性的快速判斷[3]。示意如圖2 所示。

圖2 隧道涌水概率決策樹物理模型

3 實際應(yīng)用

3.1 基本情況

某隧道掌子面爆破后，發(fā)現(xiàn)K66+630 處發(fā)現(xiàn)掌子面有突泥，突泥持續(xù)約2 h，突泥量約4 000 m3。清理完成后再次進行爆破，發(fā)生突泥，并涌至二襯臺車處，初步估計突泥量達到6 000 m3。在雨后清理淤泥過程中，洞內(nèi)突然涌出大量泥漿和水此次突泥估計達到了10 000 m3。

3.2 涌水要素分析

隧道區(qū)的巖溶地層為上泥盆統(tǒng)融縣組石灰?guī)r，該組巖石以厚層、中厚層為主，部分巨厚層，質(zhì)純，石灰?guī)r中的氧化鈣含量較高，一般在55～60%以上，利于巖溶發(fā)育。隧道區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，非常有利于地下水的活動和石灰?guī)r溶蝕，斷層破碎帶和層間擾動面較容易形成巖溶管道、溶洞等大型過水通道[4]。

根據(jù)隧道物探結(jié)果，隧道進出口及洞身段多處有數(shù)值異常區(qū)，推測發(fā)育有巖溶裂隙、溶洞等。具體情況如表2 所示。

表2 隧道物探解析巖溶地質(zhì)異常統(tǒng)計

綜合地質(zhì)調(diào)查、物探等成果，綜合判斷隧道所處的巖溶區(qū)域?qū)佣握w為巖溶強發(fā)育區(qū)，隧道洞身揭露的區(qū)域巖溶層段為區(qū)域強巖溶層段，屬于基于決策樹的隧道涌水預(yù)測參數(shù)表中的I-A1 情況。

根據(jù)隧道區(qū)域水文地質(zhì)情況，該隧道可以劃分為三個巖溶水子系統(tǒng)，涌水處位于II 號子系統(tǒng)的補給區(qū)分水嶺附近，該子系統(tǒng)的地下水受構(gòu)造阻隔導(dǎo)水左右，沿山谷自NE 向SW 徑流，最終從地下河出口排出，排泄口距離隧道較遠[5]。因此，隧道洞身所處巖溶水動力橫向分帶主要為補給區(qū)，屬于基于決策樹隧道涌水預(yù)測參數(shù)表中的隧道洞身所處巖溶水動力橫向分帶IV-C4 情況。

隧址巖溶發(fā)育在垂向上具有明顯的分帶性。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查及鉆探資料，300 m 標高以上巖溶強烈發(fā)育，其中400 m 以上區(qū)域巖溶發(fā)育形態(tài)以近垂直型落水洞為主。400～300 m 巖溶發(fā)育形態(tài)以大型溶洞、巖溶管道為主，發(fā)育程度強烈；300～290 m 標高，巖溶中等發(fā)育，鉆孔線巖溶率一般在3%左右；290～270 m 標高，巖溶弱發(fā)育，鉆孔線巖溶率在1%左右；270 m 標高以下，巖溶發(fā)育逐漸消失，見圖3。

圖3 隧道巖溶發(fā)育深度分布

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，隧址枯水期地下水水位高程為320 m，豐水期地下水水位450 m，隧道設(shè)計高程330～460 m，依據(jù)巖溶地下水水動力垂直分帶劃分情況，隧道進口至K63+300 位置位于季節(jié)交替帶，K63+300 至隧道出口位置處于淺飽水帶，見圖4。

圖4 隧道巖溶地下水動力垂向分帶

綜上所述，隧道洞身主要位于巖溶水動力垂向分帶的季節(jié)變動帶-淺飽水帶，屬于基于決策樹隧道涌水預(yù)測參數(shù)表中的隧道洞身所處巖溶水動力垂向分帶的III-B3 和III-A3-1 情況。

3.3 涌水可能性快速判別

根據(jù)前文對涌水要素的分析，隧道發(fā)生涌水處的位置位于巖溶強發(fā)育段、補給區(qū)、季節(jié)變動帶，存在地下河系統(tǒng)，巖溶結(jié)構(gòu)面規(guī)模大于8 m，將上述參數(shù)帶入到?jīng)Q策樹模型中進行驗算，發(fā)生涌水的概率為70.2%，發(fā)生涌水突泥的可能性較大，預(yù)測涌水量為25 000 m3/d。分析其原因，這主要是由于涌水位置處于淺飽水帶，又處于雨季施工，大氣降雨沿落水洞直接灌入所至。從隧道涌水處地質(zhì)超前預(yù)報和施工情況來看，也證明了這一點。在沒下雨時，隧道內(nèi)即使有溶洞揭露，也不會發(fā)生涌水，僅為溪流。但是一旦發(fā)生降雨或者隧道改變原有地下水流路徑就會發(fā)生涌水突泥，而且涌水突泥的大小與降雨密切相關(guān)。

隧道其他里程的涌水概率為0.1%～19.8%，其中發(fā)生40 000 m3/d 的概率最大，為19.8%，但是均遠小于50%，綜合推斷其他里程發(fā)生涌水突泥的可能性較小，見表3。

表3 基于決策樹的涌水概率預(yù)測結(jié)果

3.4 結(jié)果驗證

本隧道已施工完成，在施工過程中，涌水情況與預(yù)測情況基本一致，證明該涌水概率判別方法可靠，為隧道施工安全提供明顯的安全保障。

4 結(jié)論

本文介紹了應(yīng)用決策樹理論進行巖溶峰叢區(qū)隧道涌水突泥概率快速判別的理論方法，在開展隧道區(qū)巖溶水文地質(zhì)調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)巖溶峰叢地貌區(qū)隧道巖溶發(fā)育特征、巖溶地下水系統(tǒng)類型、巖溶地下水橫向和垂向水動力條件和巖溶結(jié)構(gòu)面特點等，選擇基于決策樹的巖溶峰叢區(qū)隧道涌水突泥概率快速判別的指標參數(shù)。最后，將該模型運用于隧道施工進行驗證，結(jié)果表明，該隧道發(fā)生涌水突泥的最大概率為70%，分布在K65+940～K66+860 段，隧道施工過程中實際發(fā)生的涌水位置為K66+600 附近，與判別結(jié)果非常吻合，證明了基于決策樹方法進行隧道涌水突泥可能性判別的有效性。

運用該隧道涌水突泥概率快速判別模型，對該隧道的其他段落進行了涌水可能性研究分析，隧道其他里程的涌水概率為0.1%～19.8%，其中發(fā)生40 000 m3/d 的概率最大，為19.8%，但是均遠小于50%，綜合推斷其他里程發(fā)生涌水突泥的可能性較小。分析結(jié)論有的放矢的指導(dǎo)了地質(zhì)超前預(yù)報工作，節(jié)約工程施工成本和保障施工安全、加保障施工工期。