山嶺隧道涌水來(lái)源識(shí)別研究現(xiàn)狀及建議

文/中交路橋建設(shè)有限公司 李海港 王軍威 劉光輝 史忠慧

山嶺隧道開(kāi)挖中經(jīng)常面臨涌水問(wèn)題，對(duì)工程安全造成較大的威脅，如何有效識(shí)別涌水的來(lái)源對(duì)工程的順利施行有重要作用。針對(duì)這一問(wèn)題，在總結(jié)近年來(lái)山嶺隧道涌水來(lái)源識(shí)別研究的成果基礎(chǔ)上，結(jié)合工程所處的周邊環(huán)境及涌水來(lái)源的不同形式，對(duì)目前常用的幾種涌水來(lái)源識(shí)別方式按照各自屬性進(jìn)行了詳細(xì)地分類闡述，并對(duì)每種方法存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)未來(lái)涌水來(lái)源識(shí)別方式的發(fā)展方向及優(yōu)化提出建議。

目前工程中較為常用的涌水來(lái)源預(yù)測(cè)方法主要分為化學(xué)法、數(shù)學(xué)分析法、物理法三大類，其中數(shù)學(xué)法主要以模糊聚類法、灰色理論法為主，依據(jù)算法的不同，數(shù)學(xué)法在實(shí)際運(yùn)用的過(guò)程中經(jīng)常面臨著觀測(cè)指標(biāo)選取是否恰當(dāng)和數(shù)據(jù)有效性判別的問(wèn)題，這一點(diǎn)在今后的數(shù)學(xué)法涌水來(lái)源識(shí)別方法的發(fā)展中需要進(jìn)一步的研究；化學(xué)法主要以涌水中所含的各種礦物元素為指標(biāo)，根據(jù)不同地層結(jié)構(gòu)往往需要選取不同的元素指標(biāo)，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中離子含量的測(cè)定是否符合試驗(yàn)精度要求往往是影響結(jié)果的重要因素；物理法則以同位素為主要方法，利用同位素的示蹤性判斷涌水來(lái)源，這種方法的成本往往較高，并且會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的影響。

國(guó)內(nèi)山嶺隧道涌水識(shí)別研究現(xiàn)狀

數(shù)學(xué)分析法

灰色理論分析法：灰色分析理論是由我國(guó)學(xué)者在1982年提出的一種主要用于研究“外延明確，內(nèi)涵模糊”的小樣本問(wèn)題的數(shù)學(xué)分析方法，而灰色關(guān)聯(lián)性分析正是建立在灰色分析理論之下的多因素關(guān)聯(lián)性分析方法。這種分析方法的原理是：將原始數(shù)據(jù)去量綱化，然后按照關(guān)聯(lián)性參數(shù)計(jì)算公式計(jì)算參考樣本和待測(cè)樣本之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，并形成關(guān)聯(lián)序列，對(duì)于某些特殊數(shù)據(jù)還可以求取關(guān)聯(lián)系數(shù)的加權(quán)平均值序列以便得到更深層次的關(guān)系。

圖1 灰色關(guān)聯(lián)度分析

這種分析方法主要思想是利用工程地區(qū)各個(gè)巖層之間可溶礦物含量的差異選取可供水源判別的樣本，對(duì)涌水的來(lái)源進(jìn)行判別。例如，徐斌等人以灰色關(guān)聯(lián)性分析與逐步判別法作為基礎(chǔ)，選取涌水點(diǎn)的礦物離子作為判別因子，對(duì)礦山隧道涌水來(lái)源進(jìn)行了驗(yàn)證，表明單獨(dú)的灰色關(guān)聯(lián)分析法與逐步判別法進(jìn)行耦合能夠提高算法的準(zhǔn)確度，判別因子的選取是否符合實(shí)際情況對(duì)判定的結(jié)果影響非常大。當(dāng)然，灰色關(guān)聯(lián)法自身仍然存在優(yōu)化的空間，李集等人運(yùn)用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)突水突泥綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，得到的新的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際情況更加貼合，說(shuō)明灰色關(guān)聯(lián)性分析方法在涌水來(lái)源的識(shí)別問(wèn)題上也存在進(jìn)一步優(yōu)化的可能性。

模糊聚類算法：模糊聚類算法是按照事物之間的模糊界限對(duì)事物進(jìn)行分類的數(shù)學(xué)方法。它的原理是通過(guò)計(jì)算樣本與變量之間的相似系數(shù)，建立模糊相似矩陣，然后利用模糊運(yùn)算生成模糊等價(jià)矩陣，最后對(duì)樣本進(jìn)行分類，達(dá)到涌水來(lái)源識(shí)別的目的。

模糊聚類算法與其他數(shù)學(xué)算法，如灰色相關(guān)性分析法具有相似的分析過(guò)程，計(jì)算的過(guò)程也相對(duì)比較簡(jiǎn)便，在實(shí)際工程中有較多的應(yīng)用。例如，高飛等人在敘嶺關(guān)隧道中使用模糊聚類算法對(duì)涌水來(lái)源進(jìn)行判別，得到較好的效果。但是考慮到算法所需要的大量數(shù)據(jù)樣本，僅僅依靠每次手動(dòng)的數(shù)據(jù)輸入明顯不能滿足更大項(xiàng)目的需要，因此鄭琳等人在引進(jìn)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的前提下，將模糊聚類算法所需要使用的數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化，簡(jiǎn)化了運(yùn)算所需要的時(shí)間。同時(shí)，利用其他方法與模糊聚類算法相結(jié)合也能夠提高算法的準(zhǔn)確性，如將piper三線圖解法與模糊聚類算法相結(jié)合，比單獨(dú)使用算法更加精確地判別了涌水的來(lái)源。

化學(xué)法

利用化學(xué)法進(jìn)行涌水來(lái)源識(shí)別是近年來(lái)隧道水源識(shí)別方法的研究熱點(diǎn)之一。原理是利用隧道涌水中各個(gè)巖層中水離子含量的不同，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行劃分，判斷涌水的來(lái)源。常見(jiàn)的是以涌水中礦化度這幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)的劃分，但是實(shí)際工程中也往往需要專業(yè)人員根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行專業(yè)離子的選擇，以便使結(jié)果更能準(zhǔn)確的反應(yīng)真實(shí)情況。

由于涌水中某種離子的含量往往受到各種因素的影響，并且各個(gè)因素之間往往呈現(xiàn)非線性的關(guān)系，因此使用化學(xué)法作為涌水來(lái)源的判別辦法時(shí)應(yīng)該結(jié)合非線性的數(shù)據(jù)分析方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。常見(jiàn)的是結(jié)合模糊理論、概率論等數(shù)學(xué)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其結(jié)果除了受到識(shí)別樣本的選取影響之外，工程所處位置各個(gè)巖層的差異性也是方法成功與否的重要影響因素。因此，這種方法在礦區(qū)隧道中使用得更為常見(jiàn)，而在巖層差異性較大的公路隧道、鐵路隧道中也能有較好的表現(xiàn)。

物理法

物理法對(duì)隧道涌水水源的識(shí)別結(jié)果相比其他方法都更加直觀，能夠定性地反應(yīng)涌水的來(lái)源，還能夠通過(guò)數(shù)據(jù)處理定量的反應(yīng)涌水可能的來(lái)源點(diǎn)。常用的物理方法為同位素法，也有利用染色劑等工具進(jìn)行涌水來(lái)源識(shí)別。相比其他辦法來(lái)說(shuō)，同位素法更加穩(wěn)定，能夠極大地避免標(biāo)識(shí)物被巖層吸收，從而得到更為精確的結(jié)果。但是另一方面，這種辦法的價(jià)格也相對(duì)昂貴，如何降低物理法識(shí)別涌水來(lái)源的成本，并且保持這種方法的準(zhǔn)確，直觀的特性是今后這種方法研究的重點(diǎn)之一。

近年來(lái)，隨著國(guó)家隧道建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，需要利用物理法進(jìn)行涌水來(lái)源識(shí)別的地方也越來(lái)越多，對(duì)于某些復(fù)雜地質(zhì)情況下，不明來(lái)源涌水物理法具有優(yōu)異的識(shí)別能力。例如，在峽口隧道中一個(gè)歷時(shí)近兩年的不明來(lái)源地下涌水點(diǎn)，結(jié)合氫氧同位素法與化學(xué)法之后，成功判斷出涌水來(lái)源為較為發(fā)育的巖溶裂隙帶。而在其他項(xiàng)目中，同位素法都展現(xiàn)出了較強(qiáng)的水源識(shí)別能力，不僅為其他隧道涌水來(lái)源識(shí)別方法奠定了理論基礎(chǔ)，還為后續(xù)項(xiàng)目提供了實(shí)例參考，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。

未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

多種算法結(jié)合

多方法耦合算法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠彌補(bǔ)單獨(dú)一種算法在某些層面上的缺陷，并提高整體的準(zhǔn)確性，為實(shí)際工程提供更為可信的識(shí)別結(jié)果。其原理是利用A、B兩種算法對(duì)原始數(shù)據(jù)分析過(guò)程中不同的側(cè)重點(diǎn)，使算法B能夠彌補(bǔ)A算法不能顧及到的地方，常見(jiàn)的有模糊聚類算法與貝葉斯算法的結(jié)合，灰色關(guān)聯(lián)分析法與逐步判別法的結(jié)合。這類算法相比某種算法單獨(dú)的使用除了在精度上有所提升，更重要的是，提高了算法的普適性，使算法能夠應(yīng)對(duì)更多不同地質(zhì)情況下的涌水水源識(shí)別問(wèn)題。在工程地質(zhì)情況越來(lái)越復(fù)雜的背景之下，多種方法相結(jié)合的耦合算法必將成為未來(lái)涌水來(lái)源識(shí)別的重要方向之一。

各類算法普適性的提升

無(wú)論何種計(jì)算方法，也無(wú)論何種形式的識(shí)別方法，在實(shí)際工程中都可能遇到以往沒(méi)有過(guò)的情況，這是科學(xué)發(fā)展過(guò)程中必須經(jīng)歷的過(guò)程，只有這樣我們使用的方法才能得到不斷地進(jìn)步，涌水來(lái)源識(shí)別方法亦是如此。例如，在巖層分類不明顯的地區(qū)，如何利用數(shù)學(xué)分類方法對(duì)涌水來(lái)源指標(biāo)進(jìn)行選取，需要不斷的在實(shí)際工程中進(jìn)行總結(jié)，然后方法的普適性才能得到提升。因此，各類算法普適性地提升是未來(lái)涌水來(lái)源識(shí)別方法的要點(diǎn)。

總結(jié)

隧道涌水來(lái)源識(shí)別技術(shù)近年來(lái)得到了較大的發(fā)展，從數(shù)學(xué)方法到物理方法，再到多種方法相結(jié)合，說(shuō)明涌水來(lái)源識(shí)別方法在朝著多維度的方向發(fā)展，對(duì)涌水來(lái)源的識(shí)別結(jié)果也隨著相關(guān)研究的不斷進(jìn)行而越來(lái)越精確。同時(shí)，涌水識(shí)別方法與勘探技術(shù)之間的結(jié)合，與地質(zhì)資料之間的補(bǔ)充，都將為涌水來(lái)源識(shí)別技術(shù)帶來(lái)巨大的發(fā)展動(dòng)力。