基于决策树模型的隧道涌水概率快速判别方法

李晓山

（华邦建投集团股份有限公司，甘肃 兰州）

1 决策树模型

对隧道涌水位置及可能性判断可以根据项目组长期岩溶区的涌水位置预测经验，采用决策树法进行定量化判断。

决策树(Decision Tree)是在已知各种情况发生概率的基础上，通过构成决策树来求取期望值大于等于零的概率，评价项目风险，判断其可行性的决策分析方法，是直观运用概率分析的一种图解法[1]。决策树模型示意如图1 所示。

图1 决策树概念模型

2 隧道涌水判断决策树模型的建立

2.1 参数选取

对于隧道涌水预测而言，根据隧道岩溶水文地质情况，进行涌水可能性预测判断（决策点）。选择的方案包括：①特大型涌水；②大型涌水；③中型涌水；④小型涌水；⑤渗水不发生涌水（方案枝）。选择的状态点包括：①隧道洞身揭露的区域岩溶层段；②岩溶水系统类型及规模；③隧道洞身所处岩溶水动力垂向分带；④隧道洞身所处岩溶水动力横向分带；⑤隧道洞身的溶洞、溶蚀带及各种岩溶结构面发育强度和空间位置（方案枝），见表1。

表1 基于决策树的隧道涌水预测参数

具体的指标包括岩溶发育强弱、岩溶水系统类型和面积、隧道所处的岩溶水系统垂直水动力带位置、隧道所处的岩溶水系统横向水动力带部位、岩溶结构面发育强度和空间位置（状态枝）[2]。

2.2 建立模型

根据所选参数，通过五种方案的状态枝进行组合分析建立涌水可能性快速判别的决策树模型，对于某一隧道的具体里程，只要按照模型的状态条件进行统计，然后把相关参数带入决策树模型，就可以实现涌水可能性的快速判断[3]。示意如图2 所示。

图2 隧道涌水概率决策树物理模型

3 实际应用

3.1 基本情况

某隧道掌子面爆破后，发现K66+630 处发现掌子面有突泥，突泥持续约2 h，突泥量约4 000 m3。清理完成后再次进行爆破，发生突泥，并涌至二衬台车处，初步估计突泥量达到6 000 m3。在雨后清理淤泥过程中，洞内突然涌出大量泥浆和水此次突泥估计达到了10 000 m3。

3.2 涌水要素分析

隧道区的岩溶地层为上泥盆统融县组石灰岩，该组岩石以厚层、中厚层为主，部分巨厚层，质纯，石灰岩中的氧化钙含量较高，一般在55～60%以上，利于岩溶发育。隧道区地质构造发育，非常有利于地下水的活动和石灰岩溶蚀，断层破碎带和层间扰动面较容易形成岩溶管道、溶洞等大型过水通道[4]。

根据隧道物探结果，隧道进出口及洞身段多处有数值异常区，推测发育有岩溶裂隙、溶洞等。具体情况如表2 所示。

表2 隧道物探解析岩溶地质异常统计

综合地质调查、物探等成果，综合判断隧道所处的岩溶区域层段整体为岩溶强发育区，隧道洞身揭露的区域岩溶层段为区域强岩溶层段，属于基于决策树的隧道涌水预测参数表中的I-A1 情况。

根据隧道区域水文地质情况，该隧道可以划分为三个岩溶水子系统，涌水处位于II 号子系统的补给区分水岭附近，该子系统的地下水受构造阻隔导水左右，沿山谷自NE 向SW 径流，最终从地下河出口排出，排泄口距离隧道较远[5]。因此，隧道洞身所处岩溶水动力横向分带主要为补给区，属于基于决策树隧道涌水预测参数表中的隧道洞身所处岩溶水动力横向分带IV-C4 情况。

隧址岩溶发育在垂向上具有明显的分带性。根据区域地质调查及钻探资料，300 m 标高以上岩溶强烈发育，其中400 m 以上区域岩溶发育形态以近垂直型落水洞为主。400～300 m 岩溶发育形态以大型溶洞、岩溶管道为主，发育程度强烈；300～290 m 标高，岩溶中等发育，钻孔线岩溶率一般在3%左右；290～270 m 标高，岩溶弱发育，钻孔线岩溶率在1%左右；270 m 标高以下，岩溶发育逐渐消失，见图3。

图3 隧道岩溶发育深度分布

根据调查结果，隧址枯水期地下水水位高程为320 m，丰水期地下水水位450 m，隧道设计高程330～460 m，依据岩溶地下水水动力垂直分带划分情况，隧道进口至K63+300 位置位于季节交替带，K63+300 至隧道出口位置处于浅饱水带，见图4。

图4 隧道岩溶地下水动力垂向分带

综上所述，隧道洞身主要位于岩溶水动力垂向分带的季节变动带-浅饱水带，属于基于决策树隧道涌水预测参数表中的隧道洞身所处岩溶水动力垂向分带的III-B3 和III-A3-1 情况。

3.3 涌水可能性快速判别

根据前文对涌水要素的分析，隧道发生涌水处的位置位于岩溶强发育段、补给区、季节变动带，存在地下河系统，岩溶结构面规模大于8 m，将上述参数带入到决策树模型中进行验算，发生涌水的概率为70.2%，发生涌水突泥的可能性较大，预测涌水量为25 000 m3/d。分析其原因，这主要是由于涌水位置处于浅饱水带，又处于雨季施工，大气降雨沿落水洞直接灌入所至。从隧道涌水处地质超前预报和施工情况来看，也证明了这一点。在没下雨时，隧道内即使有溶洞揭露，也不会发生涌水，仅为溪流。但是一旦发生降雨或者隧道改变原有地下水流路径就会发生涌水突泥，而且涌水突泥的大小与降雨密切相关。

隧道其他里程的涌水概率为0.1%～19.8%，其中发生40 000 m3/d 的概率最大，为19.8%，但是均远小于50%，综合推断其他里程发生涌水突泥的可能性较小，见表3。

表3 基于决策树的涌水概率预测结果

3.4 结果验证

本隧道已施工完成，在施工过程中，涌水情况与预测情况基本一致，证明该涌水概率判别方法可靠，为隧道施工安全提供明显的安全保障。

4 结论

本文介绍了应用决策树理论进行岩溶峰丛区隧道涌水突泥概率快速判别的理论方法，在开展隧道区岩溶水文地质调查研究的基础上，根据岩溶峰丛地貌区隧道岩溶发育特征、岩溶地下水系统类型、岩溶地下水横向和垂向水动力条件和岩溶结构面特点等，选择基于决策树的岩溶峰丛区隧道涌水突泥概率快速判别的指标参数。最后，将该模型运用于隧道施工进行验证，结果表明，该隧道发生涌水突泥的最大概率为70%，分布在K65+940～K66+860 段，隧道施工过程中实际发生的涌水位置为K66+600 附近，与判别结果非常吻合，证明了基于决策树方法进行隧道涌水突泥可能性判别的有效性。

运用该隧道涌水突泥概率快速判别模型，对该隧道的其他段落进行了涌水可能性研究分析，隧道其他里程的涌水概率为0.1%～19.8%，其中发生40 000 m3/d 的概率最大，为19.8%，但是均远小于50%，综合推断其他里程发生涌水突泥的可能性较小。分析结论有的放矢的指导了地质超前预报工作，节约工程施工成本和保障施工安全、加保障施工工期。