富水弃渣场下复杂城市隧道群突涌水致险路径识别与分级管理：对可持续隧道建设的启示

《Sustainability》：Risk Pathway Identification and Hierarchical Management of Water Mud Inrush in a Complex Urban Tunnel Group Beneath a Water-Rich Spoil Disposal Landfill: Implications for Sustainable Tunnel Construction

　　

当城市地下互通隧道穿过富水弃渣场下方时，突涌水致险风险受人工填土、地质条件、隧道群施工扰动和环境约束的共同控制。本研究调查了深圳侨城东路北延工程中布九窝弃渣场下方的区段，旨在识别关键风险因素并揭示其层次传输机制。基于工程勘察数据、设计文件、施工风险源和专家问卷，建立了一个包含18个风险因素的指标体系。采用决策试验与评价实验室法（DEMATEL）计算了各因素的影响度、被影响度、中心度、因果度和中心度派生权重。随后引入对抗解释结构模型（AISM）提取拓扑层次并识别关键耦合回路。结果表明，结构裂隙水压力、垂直净距、弃渣场水位、应急抽排水能力和弃渣填土厚度在DEMATEL风险关系网络中充当关键节点。识别出两个关键回路：弃渣场水位-结构裂隙水压力回路，以及垂直净距-隧道群附加应力-防渗膜破坏率回路。提出了一种分层控制策略，包括源头控制、通道封堵、施工扰动控制、监测、预警和应急管理。从可持续发展的角度，所提出的框架支持地下水保护、污染预防、维持弃渣场防渗系统完整性，以及降低施工引起的环境风险。

随着山区铁路、公路和城市轨道交通建设不断向复杂地质、环境敏感和人口密集区域扩展，地下空间开发日益加深。隧道工程不可避免地靠近甚至穿过现有弃渣场等人工堆积物。此类项目的安全性不再局限于围岩变形和地下水控制，而是涉及复杂地质体、施工安全与环境保护的系统性风险。突涌水具有突发性强、演化快、破坏严重和次生影响显著的特点，是影响隧道施工安全的关键灾害。然而，富水弃渣体不能简单等同于天然含水层，它是一个包含高度非均质固废骨架、随降雨入渗迁移的渗滤液以及填埋气（如CH4、CO2、H2S）的不断演化的人工地质与环境复合系统。一旦隧道开挖扰动诱发防渗屏障破坏或填埋气异常迁移，后果常超出常规地下水灾害范畴，表现为水、泥、气、污染物耦合释放的复合灾害。现有关于突涌水致险机制的研究多集中于岩溶地层或断裂带，而对富水充填体与隧道施工扰动相互作用诱发突涌水的完整灾害链，以及不同影响因素的因果强度、层次依赖性和控制优先级仍不清晰。此外，现有风险评估方法多侧重于风险等级或发生概率，对风险因素间的相互驱动关系、反馈耦合效应和层次传输结构分析不足。因此，亟需系统识别风险因素并分析其层次关系。基于此，研究人员以深圳侨城东路北延工程布九窝弃渣场下穿段为对象，开展了突涌水风险研究，建立了风险因素体系，运用决策试验与评价实验室法与对抗解释结构模型分析了因素间的因果强度和层次结构，并提出了分层控制框架。该研究发表在《Sustainability》期刊，对类似环境敏感人工地质体下穿地下工程具有重要的方法论参考意义。

在技术方法方面，研究人员结合工程勘察数据、设计文件、施工风险源和专家问卷，构建了包含18个风险因素的指标体系。研究邀请了隧道工程、工程地质等多学科专家进行两两比较打分，形成直接影响矩阵O。随后采用基于双最大值的弦长归一化法对矩阵进行处理，运用决策试验与评价实验室法（DEMATEL，一种揭示复杂系统中因素直接、间接和总影响关系的方法）计算总影响矩阵T，得出各因素的影响度D_i、被影响度C_i、中心度M_i、因果度R_i和权重W_i。最后，基于总影响矩阵构建模糊可达矩阵F_R，通过设定阈值λ生成邻接矩阵A与可达矩阵R，并运用对抗解释结构模型（AISM，一种提取系统要素拓扑层次和对抗层次结构的结构分析方法）进行层级划分和关键耦合回路识别。

3.1. DEMATEL Results: Centrality and Causality：通过DEMATEL定量计算分析，研究得出结构裂隙水压力、垂直净距、弃渣场水位、应急抽排水能力和弃渣填土厚度的中心度最高，是风险关系网络中的关键节点。断裂破碎带、结构裂隙水压力、弃渣场水位、孤石分布密度和循环开挖进尺的因果度大于零，表现出整体因果或驱动倾向，是突涌水风险形成与传输的主要驱动因素；而地表变形控制约束、应急抽排水能力等因素因果度为负，主要作为结果或响应因素受其他因素共同影响。

3.2. AISM Results: Hierarchy and Transmission Paths：通过AISM层次提取分析，得出弃渣填土厚度、断裂破碎带、孤石分布密度和弱围岩比例位于深层因果端，构成风险形成的深层基础；弃渣场水位与结构裂隙水压力形成水动力耦合驱动层；断裂破碎带与循环开挖进尺促进风险触发；垂直净距、隧道群附加应力与防渗膜破坏率构成中间放大层与控制层；监测预测、地表变形控制与应急抽排能力等构成表层响应层。这表明突涌水风险具有明显的多级层次传输特征，风险控制应从深部源头控制、传输通道封堵和施工扰动控制三方面同步进行。

3.3. Coupling Loop Analysis：通过AISM拓扑结构识别出两个关键耦合回路。第一个是弃渣场水位与结构裂隙水压力的水动力耦合回路，反映了上覆弃渣场孔隙水与下部基岩裂隙水通过断裂破碎带形成联合补给系统，具有隐蔽性和突发性。第二个是垂直净距、隧道群附加应力与防渗膜破坏率的空间-力学-防渗耦合回路，反映了小净距隧道群施工扰动下局部应力对防渗边界的潜在放大途径。现场观测记录如局部淋雨状渗漏、低电阻率异常以及应力重分布监测数据为这些回路提供了工程证据支持。

在讨论部分，研究人员提出基于模型识别结果的分层风险控制策略：首先，针对富水弃渣场实施源头控制，降低水力势和持续补给，控制填埋气与渗滤液风险；其次，进行地质导水通道封堵，采用超前地质预报和注浆加固阻断水与泥沙迁移；再次，控制小净距隧道群施工扰动，遵循短进尺、低扰动、快速支护和早闭合原则；最后，建立多源监测、预警与应急响应系统，配置充足的应急抽排和污染控制冗余设施。研究结论表明，该研究建立的18个风险因素体系能反映突涌水全过程；DEMATEL揭示了关键节点与驱动因素；AISM揭示了多级层次传输特征与两个关键耦合回路；所提出的分层控制策略实现了从被动事后处置向主动风险链管理的转变，支持了隧道施工中的地下水保护和环境风险降低，为复杂城市隧道群施工提供了重要参考。