基于AHP的岩溶隧道涌水专家评判系统在德江隧道建设中的应用

Application of AHP-Based Expert Evaluation System of Karst Tunnel Water Inflow in Dejiang Tunnel

摘要: 基于AHP的岩溶隧道涌水专家评判系统，是研究隧道岩溶涌水风险最直接有效的方法，尤其是应用在南方岩溶地区的越岭隧道，可相对直观地了解地下水系统与隧道硐身的空间位置关系，掌握隧道与地下岩溶管道间的水力联系程度，从而判断隧道涌水的风险。本文利用“基于AHP的岩溶隧道涌水专家评判系统”技术，结合以往案例将隧道岩溶涌水风险等级划分为：S_karst ≤ 0.25为低风险区段；0.25 < S_karst < 0.50为中等风险区段；S_karst ≥ 0.50为高风险区段。并对德江隧道岩溶涌水的风险进行评估，并结合实际工程开挖情况进行对比分析，其结果为：ZK6 + 760~ZK7 + 200段、ZK9 + 100~ZK9 + 650段、ZK10 + 500~ZK12 + 170段和ZK8 + 150~ZK9 + 100段为低风险区段；ZK7 + 200~ZK8 + 150段为中等风险区段；ZK9 + 650~ZK10 + 500段为高风险区段。

Abstract: The AHP-based expert evaluation system of karst tunnel water inflow is the most direct and effective method to study the risk of tunnel karst water inflow, especially when it is applied to mountain-crossing tunnels in the karst area of southern China. It can intuitively illustrate the spatial relationship between the groundwater system and the tunnel body and help grasp the hydraulic connection between the tunnel and the underground karst pipelines, thus, determining the risk of tunnel water inflow. In this paper, we used the technology of “AHP-based expert evaluation system for karst tunnel water inflow” to grade the risk of karst tunnel water inflow into 3 levels, i.e., low-risk with S_karst ≤ 0.25, medium-risk with 0.25 < S_karst < 0.50, and high-risk with S_karst ≥ 0.50. We further assessed the risk of karst water inflow in Dejiang Tunnel and compared with the actual excavation. The results are drawn as follows: sections of ZK6 + 760~ZK7 + 200, ZK9 + 100~ZK9 + 650, ZK10 + 500~ZK12 + 170 and ZK8 + 150~ZK9 + 100 have a low risk of water inflow; while sections of ZK7 + 200~ZK8 + 150 and ZK9 + 650~ZK10 + 500 are medium-risk and high-risk sections, respectively.

1. 引言

贵州省地处我国西南岩溶集中连片典型发育区，洼地、落水洞、地下河广泛分布 [1] [2]，对隧道建设提出了很高的挑战，岩溶隧道突涌水事故屡有发生。因此，查明隧道岩溶地区水文地质条件，分析岩溶发育规律以及岩溶地下水系统特征 [3] [4] [5] [6]，对隧道岩溶涌水的预防、预测，具有重要意义。

隧道岩溶涌水的预测是非常复杂的问题，目前在预测工作方面经常出现错误，其预测精度也远远不够。影响隧道岩溶涌水的因子很多，根据韩行瑞教授 [7] [8] 提出的“岩溶隧道涌水专家评判系统”，概括起来可分为：区域岩溶层段、岩溶层段中的岩溶水系统及类型、隧道硐身所处岩溶水动力分带、隧道硐身岩溶及岩溶结构面发育强度及空间位置等五类。

层次分析法 [9] [10] [11] 是美国运筹学家A. L. Saaty教授于二十世纪80年代提出的一种实用的多方案或多目标的决策方法。自1982年被介绍到我国以来，以其定性与定量相结合地处理各种决策因素的特点，以及其系统灵活简洁的优点，迅速地在我国社会经济各个领域内，如能源系统分析、城市规划、经济管理、科研评价等，得到了广泛的重视和应用。近年来层次分析法也被广泛应用在工程风险评价领域，如刘政等 [12]，将层次分析法应用于基坑风险评价中；崔恩泽等 [13]，将层次分析法在工程招投标中；李翔、周树仁等 [14]，将层次分析法应用在医学工程领域；张杰等 [15]，将层次分析法应用在大跨度桥梁施工期风险分析中。杜毓超、韩行瑞等 [16] 采用层次分析法(AHP)技术将“岩溶隧道涌水专家评判系统”有风险性的决策思维过程数字化，通过一系列数学方法对多层次、多方案系统做出综合评价，从而为方案的决策提供依据，不论是岩溶隧道涌水风险性评价，还是隧道岩溶涌水预测，都具有重要意义。

德江隧道位于贵州省德江至务川段，为德务高速段内一特长隧道，隧道全长5500.00 m，最大埋深557.11 m。隧道区内岩溶水文地质条件复杂、岩溶强烈发育，特别是隧道出口段，处于富水向斜构造区，发育闹水岩地下河，为典型的地下河及管道型岩溶水系统。该地下河系统与隧道硐身立交，发生岩溶涌水的风险极高，严重影响隧道施工。

基于AHP的岩溶隧道涌水专家评判系统，是研究隧道岩溶涌水风险最直接有效的方法，尤其是应用在南方岩溶地区的越岭隧道，可相对直观地了解地下水系统与隧道硐身的空间位置关系，掌握隧道与地下岩溶管道间的水力联系程度，从而判断隧道涌水的风险。因此，本文利用“基于AHP的岩溶隧道涌水专家评判系统”技术，对德江隧道岩溶涌水的风险进行评估，并结合实际工程开挖情况进行对比分析，更直观地分析该评判系统影响因子的合理性及系统适用性，以便进一步推广应用。

2. 预测模型的构建及应用

2.1. 影响因子的选取

“岩溶隧道涌水专家评判系统”的基本理念是以岩溶发育基本理论、岩溶水文地质及岩溶水系统理论、地下水动力学理论、地质结构体及结构面理论等，作为研究和判断的基础条件，结合各种勘测资料建立岩溶水文地质概念模型，其影响因子，归纳起来为五类十项，详见岩溶涌水影响因子体系框图 [7] [8] [16] (图1)。具体如下：

A：隧道岩溶涌水风险性；B₁区域岩溶层段；B₂岩溶水系统类型；B₃垂向岩溶水动力分带；B₄垂向岩溶水动力分带；B₅岩溶结构面发育；C₁：区域强岩溶地层；C₂：区域中等岩溶地层；C₃：弱岩溶地层及层间岩溶；C₄：地下河系统或泉域补给面积(km²)；C₅：岩溶管道与隧道的距离(m)；C₆：枯水期水头(m)；C₇：位于排泄带；C₈：位于补给径流带；C₉：位于补给区；C₁₀：可能揭露溶洞直径或溶隙宽度(m)。

Figure 1. Framework for impacting factors system of karst gushing [16]

图1. 岩溶涌水影响因子体系框图 [16]

① 隧道硐身揭露的区域岩溶层段

西南杨子地台区和华南褶皱带的强岩溶层均具有广泛的区域分布，尽管有岩相变化但基本都具有厚度大、分布广、质地纯的特点，地下河系统多分布在这些岩层中。因此，隧道硐身是否揭露这些岩溶层，揭露宽度多少，是判断突水的首要条件。

② 岩溶层段中的岩溶水系统及类型

在岩溶隧道涌突水研究中，对岩溶发育规律及涌水水源的判断应分清是岩溶泉系统还是地下河系统，而后者才是造成重大和特大涌突水的根源。因此，隧道硐身揭露地下河系统也是形成大型至特大型岩溶涌水的必要条件之一。本文以地下河系统或泉域的补给面积为评价指标。

③ 隧道硐身所处岩溶水动力分带

隧道硐身所处岩溶水动力带的不同，发生岩溶涌水的可能性及涌水特征就有所不同，必须通过钻孔水文地质观测，确定硐身所处的水动力分带，这是决定涌水特征及涌水量评价方法的重要因素。本文以枯水期水头高为评价指标。

④ 隧道硐身岩溶及岩溶结构面发育强度及空间位置

由于岩溶发育的不均一性，隧道发生岩溶涌水也具有机遇性，隧道硐身岩溶及岩溶结构面发育强度及空间位置主要是判定隧道岩溶涌水的可能性及涌水规模的关键要素之一。必须通过综合调查、岩溶结构面三维分析及深岩溶研究判断隧道可能揭露溶洞、溶隙的规模、位置。本文以隧道可能揭露溶洞直径或溶隙宽为评价指标。

在岩溶隧道涌水中，地下河系统是造成重大和特大涌突水的根源 [7] [8]。地质构造可切穿多个岩溶含水层，在地质构造的关键部位，如褶皱核部及断裂作用区，顺断裂和裂隙延伸方向发育大的岩溶管道(溶洞)可能性非常大 [17] [18]，也是涌水可能性极大部位。

2.2. 预测模型的构建

采用多项式来综合考虑各因素的影响，建立评价模型，即：

$S_{karst}＝I_1\cdot X_1+I_2\cdot X_2+\cdots +I_n\cdot X_n$ [16]

式中，S_karst为岩溶涌水风险性分析结果，X_i为各影响因素，I_i为权重。

采用层次分析法(AHP)来确定各影响因素的权重。为了将比较判断定量化，通过专家咨询，引入1~9比率标度法 [16]。

组建判断矩阵，确定各层次及各影响因子的权重根。即层次B对A的权重值及层次C对层次A的权值 [16] (表1)。

Table 1. The weigh values sequences of different layers [16]

表1. 各层次之间的权值排序 [16]

从区域地质、水文地质来看：当隧道预测段围岩为区域强岩溶地层时，模型中的“C₁”取“1”，“C₂”“C₃”取“0”；当隧道预测段围岩为区域中等岩溶地层时，模型中的“C₂”取“1”，“C₁”“C₃”取“0”；当隧道预测段围岩为弱岩溶地层及层间岩溶或非岩溶地层时，预测时模型中的“C₃”取“1”，“C₂”“C₃”取“0”。

从横向岩溶水动力分带来看：当隧道预测段位于排泄带时，模型中的“C₇”取“1”，“C₈”“C₉”取“0”；当隧道预测段位于补给径流带时，模型中的“C₈”取“1”，“C₇”“C₉”取“0”；当隧道预测段位于补给区时，预测时模型中的“C₉”取“1”，“C₇”“C₈”取“0”。

其中，地下河系统或泉域补给面积(C₄)、岩溶管道与隧道的距离(C₅)、枯季地下水位(C₆)和可能揭露溶洞直径或溶隙宽(C₁₀)均为实际值。按下式进行归一化处理，使其值介于0~1间，即：

$\bar{c}=\frac{c-c_{\min }}{c_{\max }-c_{\min }}$ (将公式中的最大最小改为下标) [16]

(其中枯水期水头：c_max = 500 m、c_min = −100 m；补给面积：c_max = 50 km²、c_min = 0 km²；溶洞直径或溶隙宽：c_max = 5 m、c_min = 0 m；地下河或岩溶管道与隧道硐身的距离：c_max = 100 m、c_min = −500 m (由于此影响因子对目标产生负面影响，故隧道上方取负值，下方取正值))，从而得出各影响因子的相对标准值。

因此，本评价模型适用于隧道处于枯水期水头在−100~500 m之间；地下河系统或泉域的补给面积0~50 km²之间；溶洞直径或溶隙宽在0~5 m之间；地下河或岩溶管道与隧道硐身的距离−500~100 m以内。

综上所述，预测模型 [16]： $S_{karst}＝I_1\cdot X_1+I_2\cdot X_2+\cdots +I_n\cdot X_n$。即：

$\begin{array}{c}{S}_{karst}=0.0249\cdot C_1+0.0101\cdot C_2+0.0041\cdot C_3+0.0362\cdot C_4+0.1086\cdot C_5+0.1738\cdot C_6\\ +0.0316\cdot C_7+0.0082\cdot C_8+0.0035\cdot C_9+0.5990\cdot C_{10}\end{array}$

3. 预测模型在德江隧道的应用

3.1. 隧道区地质背景

可溶岩分布受地层岩性、地形地貌和构造控制 [19]。德江隧道区内出露地层 [20] [21] 以奥陶系、志留系及二叠系分布最广，三叠系仅涉及下统夜郎组灰岩。第四系仅洼地、谷地底部见有些分布。其中，桐梓–红花园组(O₁t-h)上部为中厚层灰岩夹白云质灰岩和白云岩，中下部页岩、介壳结晶灰岩，底部含燧石石灰岩；栖霞–茅口组(P₂q-m)中上部为厚层灰岩，局部夹燧石灰岩，下部为厚层灰岩为主，夹瘤状泥质灰岩；吴家坪–长兴组(P₃w-c)中至厚层灰岩，夹炭质页岩及煤层。其中，隧道出口段主要穿越志留系及二叠系地层(如图2)。

3.2. 隧道涌水风险预测

据隧道区地质构造及水文地质特征，可将隧道分为7段进行涌水风险分析。其中隧道ZK6 + 760~ZK7 + 200段，围岩主要为志留系龙马溪群(S₁ln)钙质砂岩、砂质泥岩及粉砂岩、页岩等。

隧道ZK8 + 150~ZK8 + 550段，围岩为奥陶系湄潭组(O₁m)砂质页岩夹石英砂岩、泥岩夹泥灰岩及生物灰岩等。

隧道ZK9 + 100~ZK9 + 650、ZK10 + 500~ZK12 + 1700段，围岩为志留系韩家店群(S_2-3hn)泥页岩夹灰岩透镜体及薄层砂岩，页岩、泥岩夹薄层泥灰岩及灰质结核等。

以上隧道段均处于碎屑岩中，围岩多处于弱风化状态，破碎地带风化较严重，有裂隙水渗漏，在裂隙发育带可能涌现裂隙水及滴渗水，涌水量不大 [22]。

隧道ZK7 + 200~ZK8 + 150段，围岩为桐梓–红花园组(O₁t-h)灰岩，为区域强岩溶地层。隧道段处于池坝地下河系统径流–排泄区内，汇水范围4.1 km²，主要为洼地汇水。从垂直分带上，本隧道段处于浅饱水带，枯季地下水位5 m左右，隧道可能揭露地下河管道，具备涌水条件，涌水机率较大。

隧道ZK8 + 550~ZK9 + 100段，围岩为奥陶系中上统(O₂₊₃)灰岩、泥质灰岩夹砂质页岩、页岩等，为区域中等岩溶地质。地下水储存和运移通道主要为顺层裂隙。因此，本段隧道具备涌水条件，但涌水机率较小。隧道处于饱水带，可能遇到裂隙状溶洞并产生有压涌水。

隧道ZK9 + 650~ZK10 + 500段，隧道横穿石朝向斜，地层为二叠系中下统灰岩夹泥质条带灰岩，属于区域强岩溶发育地层。隧道区处于闹水岩地下河系统的下游补给–径流区，汇水范围较大为29.1 km²，隧道洞身处于枯水期地下水位以下地下河排水口以上的饱水含水带，地下水位高出隧道洞身约210 m，具备了岩溶涌水的必要条件，其涌水机率大，可能遇到裂隙状溶洞或岩溶管道并产生有压突水、突泥。

Figure 2. Hydrogeological sketch of the study area [16]

图2. 研究区水文地质略图 [16]

综上所述，将各段影响因子的相对标准值(表2)与相应的权值(表1)相乘叠加，即得隧道各段岩溶涌水的危险度值S_karst。

Table 2. The results for gushing under risk in each section of the Dejiang tunnel

表2. 德江隧道各段风险性计算结果表

3.3. 预测结果及分析

结合以往隧道岩溶涌水风险等级划分 [16]，S_karst ≤ 0.25为低风险区段，可能发生小型涌水；0.25 < S_karst < 0.50为中等风险区段，可能发生中型–大型岩溶涌水；S_karst ≥ 0.50为高风险区段，可能发生大型–特大型岩溶涌水。

通过上述评判德江隧道可分为三个岩溶涌水风险性区段(图3)，具体如下：

低风险区段(S_karst ≤ 0.25)包括处于非碳酸盐岩区的ZK6 + 760~ZK7 + 200段、ZK9 + 100~ZK9 + 650段、ZK10 + 500~ZK12 + 170段，以及碎屑岩夹碳酸盐岩区的ZK8 + 150~ZK9 + 100段。隧道区裂隙发育，可能发生小型涌水，容易塌方，在严格按照新奥法施工的情况下，一般不会产生安全事故，不影响隧道施工。

中等风险区段(0.25 < S_karst < 0.50)处于浅饱水带的ZK7 + 200~ZK8 + 150段。隧道区有小型地下河系统，枯水期水头小于100 m，岩溶发育，有断层，发育较小溶洞或溶隙通过硐身，可能发生大型或特大型涌水、涌泥等地质灾害，但不会产生大的安全事故，会影响隧道施工。

高风险区段(S_karst ≥ 0.50)包括处于深饱水带的ZK9 + 650~ZK10 + 500段。隧道区有大型地下河系统，枯水期水头大于100 m，岩溶发育，有断层，发育较大溶洞或溶隙通过硐身，可能发生较为严重的重大型或特大型突水、突泥地质灾害，可能导致重大安全事故，严重影响隧道施工。

目前隧道已经贯通，ZK7 + 200~ZK8 + 150段虽然未发生特大型涌水，但雨季多处发生中、小型涌水，严重影响施工。隧道高风险区段ZK9 + 650~ZK10 + 500段，ZK10 + 423处出现1.5 Mpa的高压特大型涌水，严重影响了施工的进度，且不同程度的影响了闹水岩地下河出口流量，虽然采取了围幕注浆，但仍然有部分地下河水被隧道排水疏干。

Figure 3. Distribution of the risk for tunnel gushing of Dejiang

图3. 德江隧道涌水风险性分布图

4. 结论

基于层次分析法的岩溶涌水专家评判系统，能从定性的地质模型向定量的数学模型转化，虽然对影响因子类别的选择，风险性级别的划分具有主观性，但以诸多长年从事岩溶研究的专家打分为基础，减少了主观性带来的偏差。

更为重要的是本文结合以往多个岩溶涌水隧道实例，重新对影响子的权重进行优化调整，更大程度的避免了影响因子的主观性，并对一典型岩溶涌水隧道——德江隧道进行对比评价，将隧道岩溶涌水风险等级重新划分为：Skarst ≤ 0.25为低风险区段；0.25 < Skarst < 0.50为中等风险区段；Skarst ≥ 0.50为高风险区段。

从预测模型看，隧道区有大型地下河系统、隧道硐身岩溶强发育并有溶洞或宽大溶隙，是引起隧道岩溶涌水的决定性因素；从德江隧道岩溶涌水风险预测结果看，隧道处于深饱水带的ZK9 + 650~ZK10 + 500段是发生岩溶涌水的高风险区段，评价结果总体上能客观反映隧道的实际涌水现状。因此，本预测模型广泛适用于特长深埋隧道的岩溶涌水风险评估，可为有关施工部门提供宏观依据，以便合理而有效地进行隧道地质灾害防治。

基金项目

贵州省交通厅科技项目(2020-123-004)。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。