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基于决策树模型的岩溶隧道涌水可能性快速判断

郭宝德,  张毅,  王新文,  陈志高,  董志明,  蒙彦

郭宝德,张 毅,王新文,等. 基于决策树模型的岩溶隧道涌水可能性快速判断−以桂河高速泗顶特长隧道为例[J]. 中国岩溶,2024,43(5):1156-1165 doi: 10.11932/karst20240512
引用本文: 郭宝德,张 毅,王新文,等. 基于决策树模型的岩溶隧道涌水可能性快速判断−以桂河高速泗顶特长隧道为例[J]. 中国岩溶,2024,43(5):1156-1165 doi: 10.11932/karst20240512
GUO Baode, ZHANG Yi, WANG Xinwen, CHEN Zhigao, DONG Zhiming, MENG Yan. Rapid assessment of water and mud inrush likelihood in karst tunnels based on decision tree model: A case in Siding tunnel of Guihe expressway[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2024, 43(5): 1156-1165. doi: 10.11932/karst20240512
Citation: GUO Baode, ZHANG Yi, WANG Xinwen, CHEN Zhigao, DONG Zhiming, MENG Yan. Rapid assessment of water and mud inrush likelihood in karst tunnels based on decision tree model: A case in Siding tunnel of Guihe expressway[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2024, 43(5): 1156-1165. doi: 10.11932/karst20240512

基于决策树模型的岩溶隧道涌水可能性快速判断——以桂河高速泗顶特长隧道为例

doi: 10.11932/karst20240512
基金项目: 岩溶峰丛区特长公路隧道绿色建造关键技术研究(甘肃省建设科技项目/JK2024-39);复杂岩溶管道流体力学过程与岩溶塌陷形成机制(国家基本科研业务重大项目);岩溶塌陷地质灾害风险评价(DD20230441)
详细信息
    作者简介:

    郭宝德(1983-),男,硕士,工程师,现从事市政工程、公路工程施工、设计及科研管理等工作。E-mail:81708717@qq.com

    通讯作者:

    陈志高(1981-),高级工程师,长期从事水工环地质,岩土工程,地质灾害治理工程勘查、设计、施工等工作,E-mail: 281804974@qq.com

    蒙彦(1978-),男,博士,研究员,博士生导师,研究方向为岩溶工程安全与地质灾害风险防控,E-mail: 54589998@qq.com。

  • 中图分类号: U453.61;P642.25

Rapid assessment of water and mud inrush likelihood in karst tunnels based on decision tree model: A case in Siding tunnel of Guihe expressway

  • 摘要: 涌水突泥是岩溶区隧道建设面临的重大地质安全问题,常造成严重的经济损失和人员伤亡。在实际工作中,对隧道涌水的可能性判断是决定是否采取相应预防和处置措施的重要依据。由于隧道涌水的地质影响因素错综复杂,这项工作以往多凭借经验进行定性分析,误报漏报率非常高,如何通过定量分析提高判断准确性亟待解决。作为一种探索,文章以桂河高速泗顶特长隧道为例,在水文地质调查分析研究的基础上,构建了基于决策树模型的岩溶隧道涌水突泥可能性快速判断方法、指标参数和预测模型。结果表明,泗顶特长隧道各里程段涌水概率最高为88.1%,发生大型涌水突泥的可能性非常大,实际建设过程中也正是在预测概率最高段发生了涌水突泥。该方法可以为后期类似工程有针对性地开展超前预报提供借鉴。

     

  • 图  1  泗顶隧道交通位置图

    Figure  1.  Location of Siding tunnel

    图  2  泗顶隧道岩溶水文地质简图

    Figure  2.  Diagram of karst hydrogeology of Siding tunnel

    图  3  岩溶地下水水位与隧道交割关系图

    Figure  3.  Relationship between tunnel and karst groundwater level

    图  4  隧道涌水突泥决策树模型

    Figure  4.  Decision tree model of water and mud inrush in the tunnel

    图  5  泗顶特长隧道涌水可能性决策树模型计算结果(K66)

    Figure  5.  Calculation results of decision tree model for the likelihood of water inrush in Siding tunnel (K66)

    图  6  泗顶特长隧道实际涌水位置(K66+660)

    Figure  6.  Location of water inrush in Siding tunnel (K66+660)

    表  1  隧道各里程岩溶发育数量及规模

    Table  1.   Number and scale of karst developed in each mileage of the tunnel

    里程 地表岩
    溶数量
    /处
    岩性分
    界线条
    数/处
    地质构
    造交割
    条数/处
    钻孔
    遇洞
    率/%
    纵断面岩溶规
    模超过3 m数量
    /处及占比/%
    纵断面岩溶规
    模1~3 m数量
    /处及占比/%
    纵断面岩溶规
    模小于1 m数量
    /处及占比/%
    隧道轴
    线岩溶
    率/%
    横断面
    最大岩
    溶率/%
    k61+000~k62+000 11 1 1 24.39 2 18.18 9 2.15 81.82 0 35.45 0
    k62+000~k63+000 7 0 0 19.73 0 0 5 4.33 71.43 2 24.29 28.57
    k63+000~k64+000 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0
    k64+000~k65+000 3 0 1 11.53 1 33.33 2 8.14 66.67 0 26.67 0
    k65+000~k66+000 7 0 0 20.31 2 28.57 3 5.12 42.86 2 32.86 28.57
    k66+000~k67+000 9 1 3 26.36 3 33.33 5 12.87 55.56 1 37.78 11.11
    注:本表中的岩溶规模是指纵断面揭露的溶洞直径,溶槽、缝隙宽度。
    Note: The karst scale in this table refers to the diameter of the karst cave, the width of the solution trough and the gap exposed by the longitudinal section.
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    表  2  隧道各里程岩溶地下水与隧道关系

    Table  2.   Relationship between tunnel and karst groundwater in each mileage of the tunnel

    里程 是否排泄区
    (是1,否0)
    是否径流区
    (是1,否0)
    枯水位与隧洞最小
    距离/m(负为水面下)
    是否存在强径流带
    (地下河)(是1,否0)
    k61+000~k62+000 1 0 13.4 0
    k62+000~k63+000 0 1 0 0
    k63+000~k64+000 0 1 −11.84 0
    k64+000~k65+000 0 1 −35.51 1
    k65+000~k66+000 0 1 −59.18 0
    k66+000~k67+000 1 0 −78.11 1
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    表  3  隧道涌水突泥快速判别决策树模型物理参数表

    Table  3.   Physical parameters of decision tree model for rapid assessment of water and mud inrush in the tunnel

    决策 方案枝 状态枝 概率枝 概率条件 可能性
    1涌水
    2不涌水
    1)可能性极大(加权概率>90%)
    2)可能性大(60%<加权概率≤90%)
    3)可能性中等(30%≤加权概率≤60%)
    4) 可能性小(10%≤加权概率<30%)
    5)可能性极小(加权概率<10%)

    (1)岩溶发
    育程度
    ①地表岩溶点密度 >10个·km−1 大
    2~10个·km−1 中
    <2个·km−1 小
    ②岩性分界线密度 密度>2条·km−1 大
    1<密度≤2条·km−1 中
    密度≤1条·km−1 小
    ③断层线密度 密度>2条·km−1 大
    1<密度≤2条·km−1 中
    密度≤1条·km−1 小
    ④钻孔遇溶率 遇洞率≥30% 大
    10%≤遇洞率<30% 中
    遇洞率<10% 小
    ⑤隧道纵断面溶洞
    直径、缝隙宽度
    单段连续规模≥3 m的占比≥30%,或者单段连续规模≥3 m的占比<30%,并且1 m≤单段连续规模<3 m 的占比≥60% 大
    其他情况 中
    单段连续规模<1 m的占比<10%,并且其他规模不发育 小
    ⑥隧道轴线岩溶率 线岩溶率≥60% 大
    30%≤线岩溶率<60% 中
    线岩溶率<30% 小
    ⑦隧道横断面
    (掌子面)最大岩
    溶率
    面岩溶率>30% 大
    面岩溶率10%~30% 中
    面岩溶率<10% 小
    (2)隧道与岩溶
    水关联度
    ⑧补径排关系 排泄区 大
    径流区 中
    补给区 小
    ⑨隧道与地下水
    位关系
    隧道位于季节变动带下部 大
    隧道位于季节变动带中部 中
    隧道位于季节变动带上部及包气带 小
    ⑩隧道穿越强径流
    带(地下河等)情况
    密度≥1条·km−1 大
    0<密度<1条·km−1 中
    0条·km−1 小
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    表  4  隧道涌水突泥快速判别决策树模型计算参数表(K66)

    Table  4.   Calculation parameters of decision tree model for rapid assessment of water and mud inrush in the tunnel (K66)

    里程段 状态枝 概率条件 涌水权重/% 对应可能性 可能性加权/% 加权涌水权重/% 状态枝概率/%
    k66+000~k67+000 岩溶发育程度 地表岩溶点密度 1.65 中 75.00 1.24 33.61
    岩性分界线数量 3.56 小 25 0.89
    断层线密度 4.90 大 100 4.90
    钻孔遇洞率 2.93 小 25 0.73
    纵断面岩溶规模 9.82 大 100 9.82
    轴线岩溶率 8.15 中 75.00 6.11
    横断面岩溶率 13.22 中 75.00 9.92
    隧道与岩溶水关联度 补径排关系 1.03 大 100 1.03 55.77
    地下水位 20.45 大 100 20.45
    强径流带数量 34.29 大 100.00 34.29
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    表  5  隧道不同里程段状态枝概率

    Table  5.   Probability of state branch in each mileage of the tunnel

    里程段 状态枝 状态枝概率/%
    k61+000~k62+000 岩溶发育程度 25.20
    隧道与岩溶水关联度 14.72
    k62+000~k63+000 岩溶发育程度 24.87
    隧道与岩溶水关联度 14.46
    k63+000~k64+000 岩溶发育程度 13.51
    隧道与岩溶水关联度 13.94
    k64+000~k65+000 岩溶发育程度 20.71
    隧道与岩溶水关联度 50.40
    k65+000~k66+000 岩溶发育程度 24.87
    隧道与岩溶水关联度 29.80
    k66+000~k67+000 岩溶发育程度 35.07
    隧道与岩溶水关联度 55.77
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-01
  • 录用日期:  2024-05-13
  • 修回日期:  2024-02-27
  • 网络出版日期:  2024-12-30
  • 刊出日期:  2024-10-25

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