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項目組長期巖溶區的涌水位置預測經驗，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生概率的基礎上，通過構成決策樹來求取期望值大于等于零的概率，評價項目風險，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 參數選取

對于隧道涌水預測而言，根據隧道巖溶水文地質情況，進行涌水可能性預測判斷（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滲水不發生涌水（方案枝）。選擇的狀態點包括：①隧道洞身揭露的區域巖溶層段；②巖溶水系統類型及規模；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構面發育強度和空間位置（方案枝），見表1。

表1 基于決策樹的隧道涌水預測參數

具體的指標包括巖溶發育強弱、巖溶水系統類型和面積、隧道所處的巖溶水系統垂直水動力帶位置、隧道所處的巖溶水系統橫向水動力帶部位、巖溶結構面發育強度和空間位置（狀態枝）[2]。

2.2 建立模型

根據所選參數，通過五種方案的狀態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條件進行統計，然后把相關參數帶入決策樹模型，就可以實現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 實際應用

3.1 基本情況

某隧道掌子面爆破后，發現K66+630 處發現掌子面有突泥，突泥持續約2 h，突泥量約4 000 m3。清理完成后再次進行爆破，發生突泥，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

隧道區的巖溶地層為上泥盆統融縣組石灰巖，該組巖石以厚層、中厚層為主，部分巨厚層，質純，石灰巖中的氧化鈣含量較高，一般在55～60%以上，利于巖溶發育。隧道區地質構造發育，非常有利于地下水的活動和石灰巖溶蝕，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]。

根據隧道物探結果，隧道進出口及洞身段多處有數值異常區，推測發育有巖溶裂隙、溶洞等。具體情況如表2 所示。

表2 隧道物探解析巖溶地質異常統計

綜合地質調查、物探等成果，綜合判斷隧道所處的巖溶區域層段整體為巖溶強發育區，隧道洞身揭露的區域巖溶層段為區域強巖溶層段，屬于基于決策樹的隧道涌水預測參數表中的I-A1 情況。

根據隧道區域水文地質情況，該隧道可以劃分為三個巖溶水子系統，涌水處位于II 號子系統的補給區分水嶺附近，該子系統的地下水受構造阻隔導水左右，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，屬于基于決策樹隧道涌水預測參數表中的隧道洞身所處巖溶水動力橫向分帶IV-C4 情況。

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

圖3 隧道巖溶發育深度分布

根據調查結果，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，隧道設計高程330～460 m，依據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變動帶-淺飽水帶，屬于基于決策樹隧道涌水預測參數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

根據前文對涌水要素的分析，隧道發生涌水處的位置位于巖溶強發育段、補給區、季節變動帶，存在地下河系統，巖溶結構面規模大于8 m，將上述參數帶入到決策樹模型中進行驗算，發生涌水的概率為70.2%，發生涌水突泥的可能性較大，預測涌水量為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。從隧道涌水處地質超前預報和施工情況來看，也證明了這一點。在沒下雨時，隧道內即使有溶洞揭露，也不會發生涌水，僅為溪流。但是一旦發生降雨或者隧道改變原有地下水流路徑就會發生涌水突泥，而且涌水突泥的大小與降雨密切相關。

隧道其他里程的涌水概率為0.1%～19.8%，其中發生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測結果

3.4 結果驗證

本隧道已施工完成，在施工過程中，涌水情況與預測情況基本一致，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 結論

本文介紹了應用決策樹理論進行巖溶峰叢區隧道涌水突泥概率快速判別的理論方法，在開展隧道區巖溶水文地質調查研究的基礎上，根據巖溶峰叢地貌區隧道巖溶發育特征、巖溶地下水系統類型、巖溶地下水橫向和垂向水動力條件和巖溶結構面特點等，選擇基于決策樹的巖溶峰叢區隧道涌水突泥概率快速判別的指標參數。最后，將該模型運用于隧道施工進行驗證，結果表明，該隧道發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生的涌水位置為K66+600 附近，與判別結果非常吻合，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生涌水突泥的可能性較小。分析結論有的放矢的指導了地質超前預報工作，節約工程施工成本和保障施工安全、加保障施工工期。