基于FAHP-EWM组合权重的二维云模型用于富水岩溶地层隧道突水灾害风险评估

《Applied Sciences》：A FAHP-EWM Combined Weights-Based Two-Dimensional Cloud Model for Risk Assessment of Water Inrush Hazards in Tunnels Through Water-Rich Karst Strata

　　

准确评估富水岩溶地区隧道突水风险对隧道安全至关重要。本研究引入一种基于二维云模型（two-dimensional cloud model）的风险评估方法，以处理相关不确定性。建立综合风险指标体系，涵盖地层岩性、地质构造、地形、自然地理和施工活动五个主要因素。这些指标的权重采用模糊层次分析法（Fuzzy Analytic Hierarchy Process, FAHP）与熵权法（Entropy Weight Method, EWM）集成确定。构建二维云模型，纳入风险概率与损失严重度两个维度。通过分析合成云滴（cloud droplets）在预定风险区间内的分布确定风险等级。将该方法应用于Andangnong隧道工程，评估突水风险为较大风险（II级），结果与该项目专门安全评估一致。对关键岩溶洞穴（Y5-2和Y2-2）进行针对性治理后，风险等级成功降至低风险（IV级）。该方法为类似岩土工程背景下的风险管理提供科学依据。

研究背景方面，随着西部大开发和“一带一路”倡议推进，地质条件复杂的西部山区及富水岩溶地区隧道建设显著增加。此类地区地质条件复杂、岩溶发育，隧道开挖中突水灾害挑战加剧。21世纪第一个十年的统计表明，由突水突泥诱发的地质灾害占隧道工程安全事故的77%，不仅造成严重人员伤亡和经济损失，也显著影响工期和环境。富水溶蚀地层中岩溶发育具有明显隐蔽性和随机性，突水通道识别困难，传统勘察方法难以准确刻画其空间分布，增加了风险评估难度和不确定性。已有研究可大致分为理论研究、数值模拟和评价分析方法：理论模型常依赖理想化假设，难以全面评估施工全过程风险；数值模拟常简化实际环境因素，影响评估精度；评价分析中部分方法依赖单一维度或专家经验，组合赋权方法有时过于简化，风险等级边界常依赖经验或固定区间，且多在单一施工阶段评估，未通过治理后重评估验证适用性。因此，研究人员采用组合赋权-改进二维云模型方法，考虑地层岩性、地质构造、地形、自然地理条件和人类施工活动五类关键风险因素，对Andangnong隧道治理前后突水风险进行评估。结果表明治理前为较大风险（II级），与项目专门施工安全风险评估结论一致；对Y5-2和Y2-2岩溶洞穴采取治理措施后降至低风险（IV级），为岩溶隧道施工风险管理与控制提供理论依据，实现了隧道突水风险等级的可视化评估。

关键技术方法（不超过250字）：研究以中国160座岩溶隧道统计数据库说明代表性，工程对象为Andangnong隧道；邀请6名岩溶、水文和工程地质专家评分。FAHP采用0.1–0.9标度确定主观权重，EWM确定客观权重，矩阵法组合赋权；构建含5个主要因素、15个二级指标的风险指标体系；建立二维标准云与综合云，采用正向和反向云发生器及MATLAB生成云滴，按综合云滴落入各风险区比例归一化定级，并进行100次循环统计；开展治理前后重评估与现场验证。

研究结果如下。3.1 治理前风险计算与评估结果（Pre-Treatment Risk Calculation and Assessment Results）：通过FAHP、EWM及组合赋权获得主、次指标权重，结合6名专家对15个风险因素的评分，计算综合云特征值为（58.288, 42.154, 7.823, 8.892, 2.043, 1.929），正向云发生器生成N=2000个云滴，并经100次循环统计，P_II=0.647为最高，判定Andangnong隧道突水风险为较大风险（II级）。3.2 现场突水突泥灾害验证（Field Verification of On-Site Water–Mud Inrush Disasters）：通过现场调查发现，Y2-2岩溶段施工中工作面左拱侧存在大型溶洞，洞腔全充填泥质物，以黄黏土夹碎石为主，洞内少量裂隙水；揭露过程中发生突泥，沿隧道延伸约20 m，实测流量约150 m³/h，地下水头高于隧道仰拱约85 m，表明该隧道具有较大突水突泥风险，与云模型评估结果一致，增强了组合权重云模型评估的可信性。3.3 岩溶洞穴治理后风险特征与评估结果（Risk Characteristics and Assessment Results After Karst Cave Treatment）：通过专家评估治理方案并按前述步骤重算，综合云特征值为（12.486, 9.229, 2.829, 2.938, 0.874, 0.889），100次循环统计显示治理后风险等级为IV级，平均概率0.9268（P_I=0.0018，P_II=0.0024，P_III=0.0691，P_IV=0.9267），即低风险；控制因素分析表明单一措施不足以达到IV级，帷幕注浆、排水、抗冲击钢筋混凝土二次衬砌和实时监测预警协同降低风险，注浆与排水合计约占总风险降低的29.9%，帷幕注浆使有效渗透率由3~5 Lu降至<1 Lu，专家评分由63.3降至28.5，E_x由58.3降至47.2，P_II由64.7%降至48.3%；排水系统将预测峰值入流由150 m³/h降至<20 m³/h，E_y由42.2降至33.1；抗冲击钢筋混凝土二衬（50 cm，对比标准35 cm）使E_y由42.2降至35.8，P_IV由0.6%升至5.4%；实时监测预警使振动影响指标由61.3改善至29.7。治理后监测数据（入流<20 m³/h；变形<0.2 mm/d）在讨论中用于佐证风险降低。

讨论部分总结：为说明所提方法的实际优势，研究采用FAHP-单云、EWM-单云和AHP-二维云三种代表性方法对Andangnong隧道治理前条件进行预测比较。FAHP-单云和传统AHP-云方法缺乏后果维度，不能区分风险主要由概率还是后果驱动；EWM-单云仅依赖客观数据变异性，得到III级分类，存在低估风险，说明地质数据不完整时整合专家知识的必要性；AHP-二维云虽包含两个维度，但保留1–9 AHP标度的主观偏差且缺乏客观校准。所提FAHP-EWM-二维云模型将主观专家知识与数据驱动变异性结合，二维云同时刻画风险概率和后果严重度，治理前后重评估可定量评价风险缓解效果；治理前II级分类被后续2-2突泥事件验证，治理后IV级降低由监测数据佐证。该方法与现有方法相比专家一致性改善（CR由0.12降至0.045），但其方法学区别是渐进式而非变革式，核心贡献在于将FAHP-EWM组合赋权与二维云模型系统集成于治理前后评估框架。局限性包括：方法依赖专家判断，Krippendorff’s α=0.84表明评审者间信度可接受，但准确性最终依赖专家组质量；治理后IV级主要为基于模型的重评估，虽由监测数据佐证，仍需更多案例独立验证以确立普适性；EWM输入为判断导出而非纯客观现场测量；敏感性分析显示II级分类在100次随机模拟中稳定（SD=3.5%），不同H_e（0.5–2.0）下P_II=63.5–66.2%；推广至其他隧道需适配当地地质指标，建议至少4名专家组成专家组；未来应利用实时监测数据持续更新、开展多灾种耦合，并通过现场测量协议或机器学习降低专家依赖。

研究结论翻译：构建了一个用于突水风险评估的集成框架，旨在通过综合专家判断与客观数据分析处理岩溶地层固有不确定性。该框架创新性地集成FAHP与EWM确定综合指标权重，有效缓解单一赋权方法相关偏差。组合权重随后被集成到二维云模型中，以数学严谨方式表征突水灾害固有的模糊性和随机性；该组合方法为常规方法不足的复杂地质环境风险评价建立了更稳健的定量基础。采用基于FAHP-EWM组合权重的二维云模型评估从江—融安—荔浦公路Andangnong隧道治理前后突水灾害风险。评估结果表明，治理前风险等级为较大风险（II级），与项目专门施工安全风险评估结论一致，验证了该方法的可行性和有效性；针对影响显著的岩溶洞穴Y5-2和Y2-2采取相应治理措施后，风险降至低风险（IV级），为岩溶隧道施工风险管理与控制提供理论依据。本研究实现了隧道突水风险等级的可视化评估，为穿越富水溶蚀地层隧道的施工安全提供分析工具和决策依据。