岩溶隧道突水突泥预报综合评估

舒　森

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都　610031)



岩溶隧道突水突泥预报综合评估

舒森

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031)

摘要：基于层次分析法建立岩溶隧道突水突泥预报综合评估的模型，分析发生突水突泥的地质因素、综合预报方法及预报解译因素，通过对它们之间联系的剖析，研究各项预报解译因素在评估突水突泥中的影响权值，根据不同预报解译因素的评价，结合其在整个评估体系的影响权值，得到被评估段落的突水突泥的综合评估结论。研究表明，基于层次分析法的评估可以灵活系统的根据综合预报的各项解译因素，综合评估岩溶段落突水突泥发生的可能性，可灵活应用于动态实时综合预报评估。

关键词：岩溶隧道；突水突泥；综合评估；层次分析法

岩溶突水突泥是隧道安全建设的最大地质隐患，防避该项地质灾害一直是重大难题。为预知灾害源并采取措施降低风险，使用综合超前地质预报对突水突泥风险源进行预判。综合预报各方法相互补充、印证，能够对掌子面前方岩溶做出较准确预报[1-2]，但是目前综合预报仍停留在机械的多方法预报，没有对预报成果进行融合，综合评估停留在简单相互验证阶段。

当前突水突泥综合超前地质预报存在的主要问题是缺乏一套系统的定量综合评估体系。为解决这一问题，分析隧道发生突水突泥的5项主要地质因素，并且这些因素可以通过5项隧道超前地质预报方法下的13项主要解译因素进行评估。分析它们的联系，并发现层次分析法比较适合地质预报影响因素之间的整合，通过层次分析法建立岩溶隧道突水突泥预报综合评估模型，分析得到解译因素评估影响权重，并依据专家意见得到的解译因素突水突泥预报评价分值，结合得出预报段落突水突泥发生的综合评估值。

1岩溶隧道突水突泥综合预报需解决的问题

虽然岩溶隧道以综合超前地质预报指导施工中的岩溶地质灾害风险防范，但是现阶段综合超前地质预报存在的问题却严重制约了岩溶异常预报准确性和预报资料利用率的提高。

(1)超前地质预报简单相互印证代替综合分析

目前隧道综合预报仅仅是将多个超前地质预报结论在隧道未开挖段落上进行预报一致性比对。一致性好的段落采取加强措施，一致性差的段落则根据设计文件和现场情况按经验判别。

简单一致性比对虽然能提高部分段落的预报准确性，但在一致性差时特别容易忽略理应发现的地质异常情况，而且漠视不同预报方法的先天差异。

(2)地质综合分析过于依赖钻探结果和地质物探专业人员

地质综合分析过多依赖钻探，由于岩溶发育空间的特异性及溶蚀特性，岩溶体在隧道开挖范围内的存在具有很强的独立性。首先是岩溶空间位置上的相对独立存在，其次是部分岩溶体发育与围岩破碎程度无直接关系，最重要的是位于隧道开挖断面边缘或者以外的岩溶体也会产生很大的地质风险。在固定条件下钻探探查岩溶异常，信息是不全面的。

地质综合分析过度依赖专业预报人员，主要是地质和物探人员。在一定程度上提高了预报专业性，但受到解译人员很强的主观影响，预报结论具有较深的主观片面性。同时，由于施工和监理方相应专业人员较少，通常只有被动接受预报结论，而不能将开挖变化及时反馈进预报，动态调整预报评估。

(3)未建立超前地质预报综合评估体系

当前综合超前地质预报归根结底是经验预报，主观性强，客观性和系统性差，缺乏有机整合地质、钻探和物探等超前预报方法的综合预报评价体系。科学的综合预报体系的建立才能使综合预报真正实现，提高预报数据资料利用率，提高预报准确性。

2决定岩溶隧道突水突泥发生的主要地质因素分析

岩溶是可溶性岩体受到水体化学物理作用及地质因素综合作用产生的地质现象。对于隧道工程，岩溶的位置、规模、填充、岩溶水发育情况和其他致灾地质体直接关系岩溶对隧道的危害程度。且由于受勘探手段及认知水平的局限，难以准确掌握隧道工程水文地质情况，尤其是对施工构成巨大风险的暗河、充水岩溶管道、大型高压富水充填溶洞等隐伏不良地质体难以准确预测及判释[4]。决定岩溶隧道突水突泥发生的5大主要地质因素分析如下。

2.1地质复杂程度

地质复杂程度可以分为复杂、较复杂、中等复杂和简单，对应突水突泥危害岩溶发育程度从岩溶强烈发育，大型溶洞和地下洞穴系统到岩溶微弱发育以裂隙溶孔为主，透水性差[7]。对应的断层发育程度从大型断层破碎带、自稳能力差、富水，可能引起大型失稳到中小型断层，无水，掉块。

2.2地下水状态

地下水是突水发生的物质基础，岩溶地区地下水处于不同水动力分带时，具有不同的致灾特性，垂直渗入带易发育垂向溶洞，为雨水下渗的通道，雨季发生突水突泥几率大；季节变动带，垂直与水平溶洞均发育，地下水以孔隙水、裂隙水、岩溶水3种形式存在，具有较强的致灾能力；水平循环带位于最低潜水位以下，主要发育水平溶洞，地下水在带中水平运动显著，循环交替强烈，致灾能力强；深部循环带溶洞不发育，一般只有微小的溶孔，水量小，交替迟缓。存在形式以孔隙水和裂隙水形式为主，但当地下水位较高，若揭露含水裂隙或小型充水和泥的溶洞也会造成突水突泥[5]。

综合考虑，如表1所列，以地下水的规模大小作为影响突水危害程度的因素，这里的规模考虑了水量、落差和持续能力。

表1　地下水规模分级

2.3节理裂隙

节理裂隙发育程度直接关系地下水存在规模与径流条件，也是岩溶不同发育形态与程度的基础因素。通常，节理裂隙很发育的区域地下水活跃，岩溶发育。在裂隙发育的中厚层、厚层与巨厚层灰岩内，常发育各种不同大小溶洞，岩溶发育程度高。然而，在裂隙发育的薄层灰岩内部，由于岩体自承载能力偏低，不易形成大型洞穴系统，仅仅易形成强富水带，且岩体常发育零星分布的充填型溶洞，两侧常发育大型洞穴系统。节理与节理裂隙弱发育或不发育地层内，除局部发育大型洞穴系统以外，多数地段岩溶发育程度低[5]。

2.4围岩完整程度

围岩完整程度关系着围岩的力学性质表现，而围岩力学性质是突水突泥是否发生的一个重要因素。围岩完整性好、强度高、有害结构面较少则抗变形能力较强，一般不易发生突水突泥等灾害。围岩完整性差、强度低、有较多有害结构面则抗变形能力较弱，尤其是断层破碎带、充填型溶腔等软弱地质体在地下水作用下，很容易渗透失稳或整体挤出破裂，支护措施稍不到位发生突水突泥等灾害可能性极大[5]。

2.5围岩级别

岩溶隧道里围岩的级别和突水突泥灾害的发生并无直接联系，因为很多造成灾害的岩溶体常常是独立存在的，越好的围岩在一定条件下反而孕含有较大规模的岩溶体，现在通常是把围岩级别和岩溶问题分开来进行处理，这时围岩级别的高低不能完全代表岩溶的发育程度。但由溶蚀造成的溶蚀破碎带则直接影响围岩级别的判定，所以围岩级别在评估中与岩溶体周边围岩的稳定性相关，但与突水突泥并无明显直接联系。

3预报岩溶隧道突水突泥发生常见方法及因素分析

决定岩溶突水突泥发生的主要地质因素是地质复杂程度、地下水状态、节理裂隙、围岩完整程度和围岩级别，根据这些地质因素特点采用地质调查法、超前钻探法、地震波反射法、地质雷达法和红外探水法进行评估。

3.1地质调查法

地质调查法主要由两项内容组成，隧道地表补充地质调查法和隧道内地质素描。岩溶地区地表补充地质调查可以较好分析隧道岩溶重点发育范围、形态及填充物等；隧道内地质素描能够很好地分析隧道开挖断面一定区域岩溶发育的趋势。

3.2超前钻探法

超前钻探法一般是超前地质钻探和加深炮孔探测，是最直观的预报方法，特别是对正在揭示的岩溶体的水量和填充物，都可以较好地进行观察。但是，岩溶地区钻探结果仅反映被钻探孔位的地质情况。

3.3地震波反射法

地震波反射法可以获取预报段落较多的物理力学信息，根据应用效果主要选择反射波界面、反射波波速、纵横波速比VP/VS、密度ρ，杨氏模量E和泊松比σ这五类信息分析预报。

反射波界面的类型及存在特点明显表征了物性的差异面，是岩溶体界面探查的最显著特征；反射波波速的变化更进一步分析岩溶规模以及填充状况的特点；纵横波速比VP/VS和泊松比σ的发展变化是重要的非固态体存在的指标；密度ρ，杨氏模量E不仅可以评估隧道围岩变化的趋势，在结合其它信息的情况下可以在填充物及稳定性分析中起重要标识作用。基于地震波反射法探测距离和范围的特点，这是一项十分重要的预报手段。

3.4地质雷达法

地质雷达法是临近探测岩溶异常的实用方法，地质雷达波形结合反射界面可以确定合适规模岩溶异常位置及性质，是重要的短距离预报手段。

3.5红外探水法

红外探水法作为专项探测水体存在情况的技术方法，采集的红外辐射数据由掌子面数据和沿隧道轴线数据组成，通过辐射数值的数学统计比较及数据变化趋势判断掌子面前方围岩含水状态。

4岩溶隧道突水突泥综合超前地质预报分析

4.1决定岩溶隧道突水突泥发生地质因素与预报解译因素的关系

地质复杂程度(B1)、地下水状态(B2)、节理裂隙(B3)、围岩完整程度(B4)和围岩级别(B5)作为突水突泥决定性地质因素，在隧道内可通过地质调查法(C1)、超前钻探法(C2)、地震波反射法TSP(C3)、地质雷达法(C4)和红外探水法(C5)5种方法进行预报，根据实际应用和相关文献选择了预报方法所对应的13项预报基础因素(隧道地表补充地质调查法D1、隧道内地质素描D2、超前地质钻探D3、加深炮孔探测D4、反射波界面D5、反射波波速D6、VP/VS纵横波速比D7、ρ密度，E杨氏模量D8、σ泊松比D9、雷达波形D10、反射界面D11、掌子面数据D12和沿隧道轴线数据D13)用于隧道超前地质预报的综合分析。

综合分析必须充分考虑岩溶突水突泥发生的地质因素，分析不同预报方法及预报基础数据反映岩溶异常的技术特点，整合因素之间内外联系，并且兼顾主客观影响，灵活方便，可以将定性分析转变为定性分析定量评价的系统评估方法。

4.2层次分析法

通过对实际工程领域评估应用和相关文献的调查研究，认为层次分析法作为一种整理和综合人们的主观判断，使定性分析与定量分析有机结合，实现定量化决策的综合评估方法[3]是适用于超前预报综合评估的方式和路径。

4.3层次分析法与综合超前地质预报

分析岩溶隧道突水突泥地质特征与超前地质预报综合评估的关系，建立以评估突水突泥为总目标的分析集合。根据影响其发生的主要地质因素和对应预报因素的关系，分析各预报解译因素在评估“岩溶突水突泥”过程中的影响权值。

4.4建立岩溶隧道突水突泥超前地质预报因素综合评估模型

图1　岩溶隧道突水突泥超前地质预报综合评估模型

根据相关工程实例，通过统计与理论分析相结合的方法，分析岩溶隧道突水突泥的主要地质影响因素和综合预报方法及预报解译因素的关系，建立岩溶隧道突水突泥超前地质预报综合评估模型，见图1。图1中，岩溶隧道突水突泥预报综合评估分为2个阶段；第一阶段是预报因素层次分析阶段，这一阶段中以A为总目标层，通过对B层5项影响突水突泥产生的地质因素(B1～B5)，C层综合超前地质预报5项方法(C1～C5)和D层C1～C5项方法的对应的预报解译因素(D1～D13)的相互关系影响分析判别建立对应的判断矩阵，进而得到D层各因素在A层综合分析时所占权重。

第二阶段是综合分析评估阶段，通过对预报段落D层因素的评价分级结合它们在A层所得的权重，得到任意预报段落的评估值，按照评估分级标准直接评价对应预报段落岩溶突水突泥发生的可能性。

4.5构造AB层，BC层和AC层判断矩阵并计算

地下水是岩溶突水突泥的先天物质基础，复杂地质体则是孕含突水突泥体的良好母体，节理裂隙发育程度、围岩完整程度和围岩级别都在不同程度上体现围岩物理性质与突水突泥的联系，可以作为评价突水突泥危害的因素。

分析B层各因素与岩溶突水突泥的内外联系和它们之间在评价目标A时的不同能力根据其影响大小，建立A关于B层对应的判断矩阵，计算权向量W、最大特征值λ并验证随机一致性比率CR见表2。

因C层预报方法在探测预报B层因素时，有着各自独立的特点和作用。按照层次分析法计算得到C层对A层的排序权值见表3中C1～C5。

4.6计算AD层总排序

根据D层各因素在对应C层预报时起的作用，依据超前地质预报理论及使用实际情况，分析了各因素在其中的作用，并依据层次分析法计算D层各因素对于A层的排序，得到AnDn排序权值，见表3中D1～D13。

表2　AB矩阵层次分析计算结果

4.7第1阶段A层综合分析权值

根据各层关系计算结果得到岩溶隧道综合超前地质预报突水突泥评估中影响力权重见表3。

表3　岩溶隧道突泥突水因素权重(A层)

可知，对岩溶隧道突水突泥影响因素重要程度为：地下水状态(B2)>地质复杂程度(B1)>节理层面裂隙(B3)>围岩完整程度(B4)>围岩级别(B5)，其中B2和B1占到70.8%是突水突泥的绝对主要因素。

对岩溶隧道突水突泥探测有效的超前预报方法为：地震波反射法TSP(C3)>超前钻探法(C2)>地质调查法(C1)>地质雷达法(C4)>红外探水法(C5)，其中C3和C2占到64.39%是预报突水突泥主要预报方法。

对岩溶隧道突水突泥预报解译评估能力先后为：超前地质钻探(D3)>反射波界面(D5)>加深炮孔探测(D4)>隧道内地质素描(D2)>雷达波形(D10)=反射界面(D11)>反射波波速(D6)>ρ密度，Е杨氏模量(D8)>沿隧道轴线数据(D13)>隧道地表补充地质调查法(D1)>σ泊松比(D9)>VP/VS纵横波速比(D7)>掌子面数据(D12)，其中D3、D4、D5和D2一共占到56.007%，是影响突水突泥预报准确度的绝对主要解译评估数据。

5岩溶隧道突水突泥超前地质预报综合评估

5.1超前预报突水突泥分级评价

第2阶段中首先收集专家意见及相关试验段信息，汇总后对超前地质预报解译评估因素与突水突泥发生的可能进行分级评估并赋予对应分值，分值越大则发生突水突泥可能性越大[6-7]，见表4。

表4　超前地质预报突水突泥分级评价

5.2综合评估

D层超前地质预报解译评估因素是预报的基础资料和成果，通过解译分析，衡量突水突泥现象的程度，按照表4进行逐一评分得到Dm，Dm与D层各项的权值ω乘积之和得到总分F，见式(1)，再按照表4，根据分数来评价发生突水突泥的可能。

(1)

通过对任意段落D层因素的分析，可以灵活得到对应段落的综合评价，评价单元可以根据工程情况自由调整。

6工程实例

6.1工程概况

某隧道位于喀斯特地区，全长约18 km，属滇东南高原石林期剥夷面岩溶地貌，地表峰丘洼地、石林、及孤峰平原等岩溶形态丰富，基岩石芽、洼地、孤峰等岩溶形态发育，多裸露。

洞内常见各种溶蚀，特别是岩溶体易与完整围岩交替变换，存在形似夹层的溶蚀夹泥带。也存在较多溶沟或溶槽，对施工影响较大的有完整围岩下无填充物溶洞和围岩破碎填充大量溶蚀物、含泥的溶洞[8]。

以K653+385～K653500段为例，根据隧道超前地质预报长短结合和重点加强的原则，进行隧道综合超前地质预报，评估这段地质灾害情况，以地震波反射法TSP(C3)，地质调查法(C1)、超前钻探法(C2)、地质雷达法(C4)和红外探水法(C5)为组合预报，预报组合内容见表5。

表5　综合超前地质预报方法组合

6.2超前地质预报

预报评估采用30 m为一个单元，以K653+385～K653+500中K653+400～K653+430段资料为例。

地质调查资料显示，地表存在溶蚀溶槽，无地表水径流，隧道围岩为灰岩，较完整，局部存在溶蚀，弱风化，由此认为对应段落发生大规模突水突泥可能性低。

钻探和加深炮孔探测显示围岩为灰岩，岩质硬脆，钻速稳定，弱风化，返水呈乳白色，K653+409～K653+422段，钻速不稳，返水呈淡红色；钻进过程无突水、突泥发生。由超前钻探可知，在未开挖段落存在溶蚀夹泥但开孔部位未突水，并结合加深炮孔探测资料可知掌子面一定范围内存在一定规模的岩溶地质体，但存在大规模岩溶水的可能性较低。

地震波反射法TSP成果见图2，本段反射界面集中，波速下降，密度，杨氏模量下降，泊松比升高，K653+408～K653+427段，各项变化明显。判断此段存在较多的物性差异界面，对应的指标符合岩溶体的特征且有一定的含水指标变化。

地质雷达法成果见图3，由图3可知K653+411～K653+428段为强反射区域，推测存在较大异常体。

红外探水成果见表6和图4，分析可知对应段落红外辐射指标横向差、纵向差数值较低，轴向数据无突变，由于掌子面附近无水，所以对应段落的红外探测结果为无水。

表6　DK653+400 HW数据内容

图2　TSP探测成果

图3　探地雷达探测成果

图4　红外轴向探测曲线

6.3综合评估

根据预报资料的分析，按照表4所示对K653+400～K653+430段分级评分，并与表3所得对应权值相乘综合评估，结果见表7。

评估得分4.47，按照表4所示，本段发生突水突泥的可能性处于中等与较高之间，并结合钻探解释情况可以判断K653+400～K653+430段虽然存在溶腔但无较大规模含水体存在，发生大规模突水突泥可能性较低，这一分析结论与开挖后实际围岩的岩溶发育及含水情况一致。

表7　DK653+400～K653+430超前地质预报综合评分

6.4动态评估

根据实际需要可选取更小的单元进行评估，例如K653+400～K653+410段。根据地质调查资料、钻探、加深炮孔探测显示围岩为灰岩，岩质硬脆，钻速稳定，弱风化，返水呈乳白色。地震波反射法TSP成果见图2，地质雷达法成果见图3，均可发现此段反射界面较少，波速、密度和杨氏模量下降，泊松比变化不大。对应段落的红外探测结果为无水。按照综合评估方法得到评估分值为1.23，见表8。根据表4的分级，此段岩溶弱发育，突水突泥可能性低。

也可抽取K653+410～K653+420段进行评估，根据地质预报结合物探预报资料围岩可能存在溶蚀，反射界面较多，波速，密度，杨氏模量，泊松比升高，红外数据无变化。按照综合评估方法得到评估分值为4.8，见表9。根据表4的分级，此段岩溶强烈发育，突水突泥可能性相对较高。

表8　DK653+400～K653+410超前地质预报综合评分

表9　DK653+410～DK653+420超前地质预报综合评分

超前地质预报综合评估单元一般以30 m为一个区间，通过对评估单位的分解，可以选择任意段落进行评估。

从K653+400～K653+430抽取出K653+400～K653+410段和K653+410～K653+420段，分别进行评估得到更加微观和准确的评估预报，由此可见通过对评估段落的分解组合可以获取相对宏观或微观范围内的评估状况，可以实时将隧道掘进获取的最新信息反馈到评估中去，按实际需求动态调整评估参数进而得到动态的评估状态。

7结论

对岩溶隧道的突水突泥灾害形成因素，隧道超前预报探测方法及预报解译评估资料的研究和分析基础上，建立了突水突泥预报解译评估的模型，使用层次分析法的原理得到各解译评估因素在预报中的权值。结合实际情况对评估段落的预报资料依照其与地质灾害关联程度进行评分，各因素的权值进行综合后便可较直观评估对应段落发生突水突泥危害的可能，得到以下结论。

(1)建立的岩溶隧道突泥突水综合超前地质预报评估模型可以有效利用相关资料进行综合预报，结论量化后简单直观，预报结论明确，一线施工人员使用简单易懂。

(2)使用层次分析法可以理清综合预报评估的前因后果，用比较简单的模型对影响因素进行比较严密的分析，在此基础上建立的综合预报评估更加系统，使评估定量化；分析模型比较灵活，可以根据实际情况通过不断调整优化参数提高评估准确性。最后一体化的评价值更为直观有利于实时决策。

(3)构建层次分析的模型和判断矩阵以及预报因素评估分级过程仍然由人主观决定，所以为了获取更加专业和客观准确的评价，需要在建立模型及评估分级过程中采纳权威专家意见，相关文献资料和参与隧道建设各方的意见，必要时可先在试验段验证模型，根据实际开挖揭示合理调整参数，使评价更符合事实。

(4) 目前一些超前地质预报任务中包含了围岩动态分级，但是依旧是通过专业人员经验结合各种预报结论得出固定段落围岩级别，积累丰富预报综合评估资料也可以为综合分析评估模型在施工围岩级别动态划分的应用中储备资料和数据。

(5) 在全过程中数据处理不能生搬硬套，要了解每一步工作的意义，要根据数据特点进行处理，用全面的信息获得最佳的结果[9]。

参考文献：

[1]谭信荣，陈寿根，马辉.隧道综合超前地质预报技术在岩溶地区的应用[J].铁道标准设计，2012(2)：84-87.

[2]舒森，王树栋.隧道综合超前地质预报方法及应用[J].铁道勘察，2010(4)：80-83.

[3]常建娥，蒋太立.层次分析法确定权值的研究[J].武汉理工大学学报:信息与管理工程版，2007，29(1)：153-157.

[4]苗德海，马涛，王 伟，等.宜万铁路复杂岩溶隧道动态设计[J]. 铁道标准设计，2010(8)：52-56.

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[7]赵志明，吴光，寇川.大(理)瑞(丽)铁路高黎贡山越岭段地质灾害工程分区研究[J].西南交通大学学报，2013，48(2)：310-317.

[8]舒森，王光权，王亮，等.TSP203超前地质预报系统在岩溶地区隧道中的应用[J].工程地球物理学报，2009(5)：588-591.

[9]舒森.如何提高TSP203系统在应用中的准确性[J].物探与化探，2011(5)：710-715.

[10]中华人民共和国铁道部.铁建设[2008]105号铁路隧道超前地质预报技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2008

[11]中华人民共和国铁道部.TB10012—2007铁路工程地质勘察规范[S].北京：中国铁道出版社，2007.

Comprehensive Assessment of Prediction of Water and Mud Bursting in Karst Tunnel

SHU Sen

(China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Cheng du 610031， China)

Abstract：A model is established for comprehensive evaluation of prediction of water and mud bursting in karst tunnel based on AHP to analyze geological factors for water and mud bursting， the comprehensive prediction and forecast interpretation. With the analysis of interaction between them， the interpretation of various factors is studied to assess the impact weight of water and mud bursting. According to the evaluation of different forecast interpretations together with the impact weight of the entire assessment system， comprehensive assessment conclusions are obtained from the assessed section. Studies show that hierarchy-based assessment can be used for comprehensive forecast interpretation of various factors， to assess the possibility of water and mud bursting in karst section， and to assess dynamically the prediction in real-time

Key words：Karst tunnel; Water and mud bursting; Comprehensive assessment; Analytic Hierarchy-based assessment

中图分类号：U456.3+3

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.019

文章编号：1004-2954(2015)04-0072-07

作者简介：舒森(1984—)，男，工程师，工学学士，E-mail：shusen44@163.com。

收稿日期：2014-03-26； 修回日期：2014-07-18