《Frontiers in Earth Science》：Predicting and mitigating hydrogeological hazards in complex geological formations: the hybrid EN 1997-MCDA approach for flysch tunnels
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在复杂复理石地层中的地下开挖经常受到水文地质灾害的影响，这些灾害源于岩性异质性、力学各向异性以及地下水引起的软弱岩体退化。研究人员提出了一种混合方法框架，该框架整合了EN 1997（Eurocode 7）的岩土工程任务要求与多准则决策分析（MCDA），以支持隧
在复杂复理石地层中的地下开挖经常受到水文地质灾害的影响，这些灾害源于岩性异质性、力学各向异性以及地下水引起的软弱岩体退化。研究人员提出了一种混合方法框架，该框架整合了EN 1997（Eurocode 7）的岩土工程任务要求与多准则决策分析（MCDA），以支持隧道开挖过程中稳定措施的实时预测与选择。该框架通过分析在高度退化的V类复理石中开挖的隧道段进行了验证，其中反复发生的水文地质失效为评估所提出的方法提供了基础。通过结合岩土工程监督、监测数据和基于MCDA的决策支持，该方法能够快速识别并优先排序最有效的缓解措施，特别是超前排水和系统化自钻锚杆安装。实施这些措施显著提高了开挖稳定性，将地面变形降低至可接受水平，并防止了后续隧道沿线发生进一步坍塌事件。所提出的EN 1997-MCDA框架为管理地下开挖中的水文地质风险提供了一种实用且可转移的决策支持方法，提高了施工安全性，减少了工程决策中的不确定性，并支持在复杂地质条件下进行更可靠的隧道设计与施工。
**论文解读：混合EN 1997-MCDA框架在复理石隧道水文地质灾害预测与缓解中的应用**
**研究背景与问题**
在复杂复理石地层中进行地下开挖是当代工程实践中最具挑战性的地质灾害问题之一。复理石地层具有显著的岩性异质性，由砂岩、泥灰岩和富含黏土的岩层交替构成，并伴有强烈的构造扰动和力学各向异性，使其表现为动态不稳定的地质系统。地下水与黏土矿物之间的相互作用导致岩体随时间退化，表现为剪切强度逐渐降低、膨胀及承载能力丧失，尤其在低岩体评级（RMR）和岩石质量指标（RQD）的退化复理石中，高孔隙水压力常引发隧道掌子面失稳、大规模超挖坍塌。传统岩体分级系统（如RMR和Q系统）在高度异质且水文地质活跃的地层中表现出显著局限性，因其视岩体为时间不变量，且仅通过简化修正因子处理地下水影响。现代隧道工程需要基于持续风险评估和自适应监测策略的方法，而非仅依赖传统经验。尽管EN 1997（Eurocode 7）定义了岩土工程设计监督的程序要求，但在动态灾害评估和稳定措施实时选择方面仍存在方法学空白。当开挖过程中出现岩体质量急剧恶化、收敛速率增加或水文地质过程加剧时，稳定措施的选择成为多准则决策问题，需平衡技术有效性、安全要求、经济约束和操作限制。为此，研究人员开展了本研究，旨在开发一种混合框架，将EN 1997的岩土工程任务要求与多准则决策分析（MCDA）相结合，以支持隧道开挖中水文地质风险的实时预测与缓解措施选择。
**研究内容与结论**
研究人员以Zenica隧道为案例，该隧道位于迪纳拉山脉第三纪盆地，穿越高度退化的V类复理石（RMR <21，RQD <25%），开挖过程中记录了12次掌子面坍塌，其中5次重大结构失效归因于水文地质过程。研究提出了混合EN 1997-MCDA框架，整合了基于EN 1997的岩土工程任务G32（地质监督）和G42（监测）的现场数据，设定了模型激活阈值（RMR ≤21，收敛速率>5 mm/天，地下水涌水量>10 L/min），并采用层次分析法（AHP）和逼近理想解排序法（TOPSIS）进行多准则决策。该框架在案例中识别出超前排水为最优缓解措施，实施后收敛速率从>5 mm/天降至0.4 mm/天，后续开挖段未再发生坍塌事件。研究结论表明，该混合框架能提高决策一致性、透明度和可追溯性，支持更可靠的隧道设计与施工，但需注意其验证基于单一隧道项目，统计泛化性受限，且依赖专家赋权与场地特定阈值。论文发表在《Frontiers in Earth Science》。
**关键技术方法**
研究人员主要采用了以下关键方法：1）基于EN 1997的岩土工程任务G32（掌子面工程地质编录与地下水检测）和G42（三维隧道收敛监测与深层变形测量）获取实时数据；2）设定阈值触发模型：RMR ≤21（V类岩体边界）、收敛速率>5 mm/天、地下水涌水量>10 L/min（源自RMR分级标准与项目观测）；3）构建AHP-TOPSIS多准则决策模型，包括五个决策准则（C1: 岩体质量RMR；C2: 水文地质压力与涌水量；C3: 变形动态收敛速率；C4: 职业安全风险指数；C5: 经济效率指数IE，定义为预期补救成本与措施成本之比）和三个备选方案（A1: 超前排水钻孔；A2: 自钻锚杆加注浆；A3: 增强初期支护刚度）；4）进行灵敏度分析，通过改变权重±15%验证排序稳定性。样本队列来源于Zenica隧道左右线（长度分别为3281.994 m和3329.850 m）的V类复理石段。
**研究结果**
**3.1 模型实施前的复理石岩体岩土响应**
通过分析Mission G32报告，研究人员识别出水文地质退化与掌子面坍塌之间的直接因果关系。地下水沿不连续面渗入降低了有效应力，导致坍塌。Mission G42数据显示，所有五次坍塌事件在破坏前24小时内收敛速率呈指数增长超过临界阈值（Vc > 5 mm/天），而缺乏主动水文地质缓解措施致使初期支护系统超载，引发拱顶和边墙渐进剪切破坏。
**3.2 MCDA模型的定量结果与权重系数**
在左线隧道桩号0+316.30处，检测到涌水量14.5 L/min且RMR降至21以下时，激活模型。专家团队构建的Saaty成对比较矩阵经特征向量计算得到权重系数：C1（岩体质量）=0.314，C2（水文地质危害）=0.182，C3（变形动态）=0.200，C4（安全风险）=0.160，C5（经济效率）=0.144。一致性比率CR=0.005<0.10，满足一致性要求。灵敏度分析（权重±15%变化）显示排序稳定（A1>A2>A3），表明模型鲁棒性高。
**3.3 备选方案评估与现场稳定**
经TOPSIS算法计算，各方案相对贴近度：A1（超前排水）=0.759，A2（自钻锚杆）=0.504，A3（增强支护）=0.243。A1被选为最优措施，现场实施15 m超前排水钻孔后，静水压力显著降低，48小时内收敛速率降至0.4 mm/天（低于临界阈值1 mm/天）。随后在Zenica隧道其余关键段应用该模型，未再发生掌子面坍塌。
**讨论与结论**
**讨论部分总结**
研究人员指出，复理石中流体-岩石相互作用表现出渐进退化行为，地下水并非仅作为外部荷载，而是驱动失效的主要动态因素。传统静态分类系统（如RMR）无法捕捉这种实时变化。混合EN 1997-MCDA框架通过结构化与透明化的决策机制，克服了经验判断易变性与数值模拟耗时性之间的局限，将工程直觉形式化为数学结构，提高了重复性与决策可靠性。该框架通过优先选择超前排水，直接针对静水压力这一关键失稳驱动力，而非仅处理后果。经济效率准则（C5）的引入实现了风险知情决策，有助于最小化总项目成本。现场应用后收敛完全稳定，未再发生坍塌，验证了框架的实用性。但研究也指出局限：基于单一隧道项目与有限坍塌事件，缺乏独立外部验证；模型依赖专家赋权与场地特定阈值；未纳入概率不确定性量化。未来需在多项目、多地质条件下验证，并集成模糊逻辑与机器学习以提升自适应能力。
**研究结论部分翻译**
本研究开发了一种混合决策支持框架，将Eurocode 7岩土工程原则与多准则决策分析（MCDA）方法相结合，用于复杂地下开挖条件下的实时灾害评估与稳定措施选择。该框架应用于Zenica隧道项目，其中高变形复理石地层在开挖过程中构成了显著的岩土（稳定性）挑战。
研究结果表明，所调查地质环境中的不稳定性主要由水文地质过程控制，地下水入渗及相关孔隙水压力发展是渐进变形和掌子面失稳的主要触发机制。应用该决策支持框架一致地将预防性超前排水钻孔确定为优先稳定策略，因为它解决了不稳定性产生的水文地质根源，而非其结构后果。
在所研究场地条件下，所选稳定措施的现场应用与收敛速率降低及开挖稳定性改善相关。从不稳定到受控开挖行为的转变证明了将水文地质控制措施整合到结构化实时决策支持框架中的实际适用性。
从工程角度来看，该框架通过将专家判断纳入与Eurocode 7原则一致的透明且可追溯的评估过程，提高了决策一致性。它能够在复杂且不确定的地层条件下系统比较稳定备选方案，从而支持隧道开挖过程中更加知情且一致的工程决策。
本研究的发现应在若干局限性的背景下解读。该框架仅基于一个单一隧道项目，且记录的坍塌事件数量有限，这限制了统计泛化性并排除了独立的外部验证。此外，该方法依赖于场地特定监测数据、项目特定激活阈值以及AHP过程中的专家赋权。它未纳入概率不确定性量化，因此所建议的阈值和稳定排序不应未经适当校准与验证直接应用于其他地质环境。
未来研究应专注于将所提出的框架应用于多个隧道项目，涵盖更广泛的地质与水文地质条件，以评估其鲁棒性和更广泛的适用性。进一步的发展还应考虑整合概率方法、模糊逻辑技术和先进数据驱动方法，以改进不确定性量化、减少对专家校准的依赖并增强实时自适应能力。
总体而言，所提出的EN 1997–MCDA框架作为一种结构化决策支持工具，在隧道施工岩土风险管理中展现出有前景的潜力，尤其适用于高度异质且对水敏感的岩体。然而，其更广泛的适用性应通过在不同地质与工程环境中的额外验证加以确认。
