徐 華， 唐垠斐， 張 鵬， 李王斌， 陳紫云

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2. 甘孜州交通建設(shè)投資有限公司，四川 康定 626000； 3. 四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院， 四川 成都 610017)

0 引言

目前，我國(guó)在建或擬建隧道數(shù)量多，且隧道建設(shè)朝著長(zhǎng)、大、深方向發(fā)展。新奧法是利用圍巖本身所具有的承載能力，采用毫秒爆破和光面爆破技術(shù)進(jìn)行隧道開(kāi)挖施工，并以形成復(fù)合式內(nèi)外兩層襯砌來(lái)修建隧道的洞身，即以混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼支撐等為初期支護(hù)形式，最后澆混凝土二次襯砌[1]。隧道相比其他工程來(lái)說(shuō)施工環(huán)境更為封閉，施工時(shí)粉塵質(zhì)量濃度較高，氡氣及其子體容易積累。施工人員在圍巖含有放射性核素的隧道中工作，往往會(huì)接受過(guò)高的輻射劑量，嚴(yán)重危害身體健康。但是，我國(guó)隧道施工環(huán)境下輻射影響方面的相關(guān)規(guī)范或規(guī)定無(wú)明確標(biāo)準(zhǔn)界定隧道施工人員所受輻射劑量是否合格，難以判斷隧道施工階段是否需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施。近幾年，來(lái)國(guó)內(nèi)外不乏隧道穿越輻射異常地質(zhì)區(qū)的工程實(shí)例，例如廣福隧道[2]、分水坳隧道[3]、秦嶺特長(zhǎng)隧道[4]、五道梁隧道[5]等，為了保證施工人員的身體健康，如何評(píng)估隧道施工人員輻射劑量是否合格，是否需要采取處理措施是亟需解決的問(wèn)題。

目前，隧道工程界對(duì)隧道施工環(huán)境的輻射影響重視程度不高，相關(guān)輻射環(huán)境評(píng)價(jià)研究成果較少，采用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也各不相同。李冠超等[2]通過(guò)隧道圍巖的放射性核素測(cè)試，計(jì)算了內(nèi)外照射指數(shù)，并以此為依據(jù)對(duì)廣福隧道輻射環(huán)境進(jìn)行了分析研究。王廣才等[6]對(duì)某長(zhǎng)隧洞進(jìn)行了γ輻射劑量率測(cè)試及空氣氡濃度測(cè)試，并且分別對(duì)這兩個(gè)測(cè)試成果進(jìn)行了分析，得出了隧道氡濃度超標(biāo)而γ輻射劑量合格結(jié)論。段貴明等[7]對(duì)某鐵路隧道開(kāi)展了空氣及土壤氡濃度測(cè)試、環(huán)境γ輻射劑量率測(cè)試以及水中總α、β測(cè)試等，并分別對(duì)各項(xiàng)測(cè)試成果進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。由于目前隧道輻射環(huán)境方面的相關(guān)規(guī)范缺乏，多數(shù)研究者直接對(duì)某單一的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，但隧道輻射環(huán)境對(duì)施工人員的影響是受空氣氡濃度、環(huán)境γ輻射劑量率等多種因素共同作用的，如果對(duì)這些方面進(jìn)行單項(xiàng)評(píng)價(jià)，在一些復(fù)雜情況下難以明確地判斷隧道內(nèi)部輻射環(huán)境是否會(huì)對(duì)工人產(chǎn)生危害，從而難以及時(shí)采取必要的防護(hù)措施。

本文以四川省甘孜州摩崗嶺隧道為例，結(jié)合山嶺隧道施工人員輻射劑量的不同來(lái)源、不同施工工序及工人工作時(shí)間與環(huán)境情況，以保證施工人員身體健康不受損害為原則，利用隧道γ輻射劑量率測(cè)試、隧道內(nèi)空氣氡濃度測(cè)試、隧道粉塵質(zhì)量濃度測(cè)試及圍巖放射性核素比活度測(cè)試等多項(xiàng)測(cè)試手段，并結(jié)合以上各項(xiàng)數(shù)據(jù)，提出1種隧道施工人員年均個(gè)人劑量綜合計(jì)算方法，全面考慮施工人員所受輻射劑量的來(lái)源，并選用目前已有的相關(guān)指標(biāo)評(píng)估輻射環(huán)境對(duì)施工人員的影響，為山嶺隧道施工人員施工時(shí)所受的照射劑量評(píng)估提供1套較為合理的方法。

1 隧道施工人員個(gè)人劑量評(píng)估方法

1.1 評(píng)估指標(biāo)選取及方法流程

隧道施工環(huán)境封閉且惡劣，施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、時(shí)間長(zhǎng)，身體健康容易受到損害。以保證施工人員身體健康為原則開(kāi)展隧道施工階段輻射環(huán)境對(duì)施工人員的影響評(píng)估，同時(shí)參照GB 18871—2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全標(biāo)準(zhǔn)》[8]，選擇施工人員年均個(gè)人照射劑量為主要評(píng)估指標(biāo)。施工人員在隧道施工中所接受的輻射劑量主要來(lái)源于γ輻射外照射，吸入氡、氡子體及含有放射性核素的粉塵。按內(nèi)照射和外照射可將以上3種輻射劑量來(lái)源分為2類(lèi)，外照射部分為環(huán)境γ輻射劑量，內(nèi)照射部分為吸入氡氣及粉塵積累于體內(nèi)產(chǎn)生的照射，如圖1所示。

圖1 隧道施工人員所受照射劑量來(lái)源

在隧道施工階段輻射環(huán)境評(píng)估中，可綜合利用隧道γ輻射劑量率、空氣氡濃度、各工序施工粉塵質(zhì)量濃度、圍巖放射性核素測(cè)試的測(cè)試結(jié)果，估算隧道內(nèi)部工人的年均個(gè)人劑量，根據(jù)相關(guān)國(guó)家規(guī)范限值[8]，綜合判斷工人在隧道施工中是否接受了過(guò)高的輻射劑量。

新奧法施工的山嶺隧道每個(gè)循環(huán)主要包括： 鉆孔裝藥、挖機(jī)出渣、施作初期支護(hù)(超前支護(hù)工作包含在此班組內(nèi))和掌子面噴漿4個(gè)工序，不同工序下的隧道施工人員所處的輻射環(huán)境明顯不同。因此，應(yīng)按照不同工序分別開(kāi)展隧道γ輻射劑量率、空氣氡濃度、粉塵質(zhì)量濃度測(cè)試及圍巖放射性核素測(cè)試。測(cè)試時(shí)選擇環(huán)境最為惡劣的掌子面位置開(kāi)展測(cè)試，采取巖樣用于測(cè)試圍巖放射性核素濃度，并且保持正常通風(fēng)量，使測(cè)試環(huán)境最接近工人正常的工作環(huán)境。測(cè)試完成后，開(kāi)展調(diào)查獲得不同工序工人的年均工作時(shí)間。結(jié)合工人年均工作時(shí)間計(jì)算出各工序工人個(gè)人年均照射劑量，并與選擇的劑量限值進(jìn)行對(duì)比，從而判定隧道施工過(guò)程中是否需要采取專(zhuān)門(mén)的輻射處置措施保護(hù)施工人員身體健康。評(píng)估流程如圖2所示。

1.2 施工人員個(gè)人劑量計(jì)算

隧道施工人員接受的照射劑量主要有γ外照射有效劑量、吸入222Rn 及其子體內(nèi)照射有效劑量和含放射性巖粉內(nèi)照射有效劑量，劑量計(jì)算公式如式(1)所示。

DZ=E+En[9]。

(1)

式中：DZ為職業(yè)照射劑量， mSv；E為γ輻射外照射有效劑量，mSv；En為內(nèi)照射有效劑量，En=ERn+Eα， mSv。

1.2.1 γ輻射外照射工人年有效劑量

γ輻射外照射工人年有效劑量

E=(Dr-D0)×T×0.7×10-6[10]。

(2)

式中：E為γ輻射外照射工人年有效劑量， mSv/a；Dr為各工序?qū)崪y(cè)γ空氣吸收劑量率， nGy/h；D0為隧道外天然源實(shí)測(cè)γ空氣吸收劑量率本底值， nGy/h；T為工作人員年均工作時(shí)間， h； 0.7為劑量換算系數(shù)， Sv/Gy。

1.2.2 吸入222Rn及其子體所致工人年有效劑量

吸入222Rn及其子體所致工作人員有效劑量當(dāng)量

ERn=ATCRnFRn[8]。

(3)

式中：ERn為222Rn子體所致的個(gè)人有效劑量當(dāng)量， Sv/a；CRn為空氣222Rn活度濃度，Bq/m3；T為工作人員年均工作時(shí)間，h；A為轉(zhuǎn)換系數(shù)，mSv/(h·Bq/m3)，A=5×2.67×10-4/170=7.85×10-6(其中： 5為有效劑量與工作水平月之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，mSv/工作水平月； 2.67×10-4為氡濃度到氡子體α潛能濃度的轉(zhuǎn)換系數(shù)，工作水平/(Bq·m3)； 170為工作水平小時(shí)到工作水平月的轉(zhuǎn)換系數(shù)，h)；FRn為平衡系數(shù)，可按根據(jù)隧道通風(fēng)量Q(m3/min)與通風(fēng)段隧道體積V(m3)之比按表1取值[11]。

圖2 評(píng)估流程圖

Q/V值00.0030.010.030.100.301.00平衡系數(shù)FRn1.000.870.660.390.160.060.02

1.2.3 吸入圍巖粉塵所致工人年有效劑量

吸入圍巖粉塵所致工人年有效劑量

Eα=∑fiRCiK[8]。

(4)

式中：Eα為工作人員吸入放射性核素所致有效劑量，mSv/a；Ci為圍巖中第i種放射性核素的活度濃度，Bq/kg；R為工人每年工作期間的空氣攝入量，R=1.2 m3/h×T，T為工作人員年均工作時(shí)間(h)，按不同工序工人工作時(shí)間取值；K為空氣粉塵質(zhì)量濃度，kg/m3，按不同工序?qū)崪y(cè)值取值；fi為對(duì)應(yīng)第i種放射性核素的吸入劑量轉(zhuǎn)換因子，mSv/Bq。

參數(shù)選取見(jiàn)表2。

表2 放射性核素吸入劑量轉(zhuǎn)換因子

注： 數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[8]中表B3，本表取其中e(g)值的較大值。

根據(jù)以上3個(gè)部分的計(jì)算可以求得隧道各工序工作人員的個(gè)人年輻射劑量，利用此數(shù)據(jù)評(píng)估隧道輻射環(huán)境是否達(dá)標(biāo)。

1.3 評(píng)估指標(biāo)限值及防護(hù)建議

除了國(guó)家有關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)所排除的照射以及予以豁免的實(shí)踐或源所產(chǎn)生的照射以外，工作人員在其工作過(guò)程中所受的所有照射均屬于職業(yè)照射。隧道施工人員在具有一定輻射的環(huán)境下進(jìn)行隧道施工工作，其在工作期間受到的照射均應(yīng)屬于職業(yè)照射。

綜合參考已有的相關(guān)研究成果[9]及GB 18871—2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，如果預(yù)計(jì)其職業(yè)照射劑量為1～5 mSv，則應(yīng)盡可能進(jìn)行個(gè)人監(jiān)測(cè)； 職業(yè)照射劑量可能大于5 mSv的工作人員必須進(jìn)行個(gè)人監(jiān)測(cè)，從輻射防護(hù)最優(yōu)化原則出發(fā)，使作業(yè)人員盡量避免不必要的附加劑量照射。本文取5 mSv作為隧道作業(yè)人員的劑量管理限值[9]。若隧道作業(yè)人員按1.2節(jié)中公式計(jì)算得出的工人年照射劑量低于1 mSv，則無(wú)需采取專(zhuān)門(mén)的防護(hù)措施； 當(dāng)隧道施工人員計(jì)算的年均照射劑量處于1～5 mSv時(shí)，需注意加強(qiáng)通風(fēng)，并酌情選擇多個(gè)施工工人開(kāi)展個(gè)人監(jiān)測(cè)； 當(dāng)工人年照射劑量達(dá)到5～20 mSv時(shí)，必須對(duì)每一個(gè)參與施工的工人開(kāi)展個(gè)人監(jiān)測(cè)，并且根據(jù)個(gè)人監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展隧道輻射處置措施； 當(dāng)工人年照射劑量高于20 mSv時(shí)，需開(kāi)展針對(duì)隧道輻射問(wèn)題的專(zhuān)門(mén)研究，并且考慮是否將隧道改線。

2 工程案例分析

2.1 工程概況

摩崗嶺隧道位于四川省甘孜州，隧道全長(zhǎng)2 160 m，最大埋深578 m，為2車(chē)道公路隧道，采用新奧法施工。隧道穿越摩崗嶺，洞身段巖性為晚元古界晉寧期侵入的巖漿巖。圍巖主要表現(xiàn)為花崗巖，放射性核素含量相對(duì)于其他類(lèi)巖石更高。為了查明隧道輻射環(huán)境是否正常，避免施工人員接受過(guò)量的輻射，應(yīng)用本文提出的隧道輻射環(huán)境對(duì)施工人員的影響評(píng)估方法開(kāi)展施工人員所受年均個(gè)人劑量評(píng)估。

2.2 測(cè)試儀器、方案及結(jié)果

測(cè)試采用FD-3013B型X-γ輻射劑量率儀測(cè)試隧道X-γ空氣吸收劑量率，RAD-7 α能譜氡氣檢測(cè)儀測(cè)試隧道施工時(shí)的空氣氡濃度，CCZ-1000直讀式測(cè)塵儀測(cè)試隧道施工粉塵質(zhì)量濃度，并且采集巖樣，利用低本多道γ能譜儀于室內(nèi)開(kāi)展隧道圍巖放射性核素比活度測(cè)試，各項(xiàng)測(cè)試均嚴(yán)格按照儀器操作規(guī)程及精度要求開(kāi)展[12]。

由于隧道施工每個(gè)循環(huán)不同工序施工時(shí)間及環(huán)境有一定差異，且工人按工序分班組工作，所以不同工序工人所接受的輻射劑量存在一定的差別。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工班組的安排情況，測(cè)試分鉆孔裝藥、挖機(jī)出渣、施作初期支護(hù)(超前支護(hù)工作包含在此班組內(nèi))和掌子面噴漿4個(gè)工序。每個(gè)工序于距離掌子面5 m位置分別測(cè)試X-γ空氣吸收劑量率、空氣氡濃度和粉塵質(zhì)量濃度3種數(shù)據(jù)，并采取巖樣，用以進(jìn)行室內(nèi)放射性核素測(cè)試。開(kāi)展以上測(cè)試時(shí)，對(duì)隧道各工序洞內(nèi)通風(fēng)管出風(fēng)口的風(fēng)速進(jìn)行了測(cè)量，初期支護(hù)時(shí)風(fēng)速為3.518 m/s，噴漿時(shí)為6.130 m/s，出渣時(shí)為3.082 m/s，鉆孔裝藥時(shí)為3.732 m/s，結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

表4 圍巖放射性核素測(cè)試結(jié)果

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)通風(fēng)管風(fēng)速，不同工序下隧道空氣氡濃度在噴漿時(shí)最低，而此時(shí)通風(fēng)風(fēng)速也相對(duì)其他工序更高，由此可以看出空氣氡濃度與隧道通風(fēng)量緊密相關(guān)，良好的通風(fēng)環(huán)境能夠明顯降低隧道內(nèi)空氣氡濃度。而隧道環(huán)境γ輻射劑量率在不同工序下變化不大，可見(jiàn)隧道環(huán)境γ輻射劑量率受隧道通風(fēng)率及施工環(huán)境影響不大。隧道噴漿作業(yè)時(shí)，由于噴射砂漿回彈、水泥裝卸攪拌揚(yáng)塵等原因，往往導(dǎo)致隧道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度超標(biāo)。同時(shí)，由于爆破導(dǎo)致的部分圍巖粉塵仍然殘留彌漫于隧道內(nèi)，且出渣時(shí)挖掘機(jī)等大型機(jī)械在狹窄的隧道內(nèi)進(jìn)行挖掘、裝載等作業(yè)，導(dǎo)致出渣階段圍巖粉塵質(zhì)量濃度較高，隧道粉塵質(zhì)量濃度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與此實(shí)際情況相符。

從各工序來(lái)看，隧道各工序中除噴漿工序空氣氡濃度較低以外，其余3個(gè)工序空氣氡濃度接近GBZ 116—2002《地下建筑氡及其子體控制標(biāo)準(zhǔn)》[13]中400 Bq/m3的行動(dòng)水平，環(huán)境γ輻射劑量率略高于天然環(huán)境γ輻射劑量率全國(guó)人口加權(quán)室內(nèi)平均值[14]。此外，隧道粉塵質(zhì)量濃度各工序均高于JTG F60—2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》中4 mg的限值[15]。獲得各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)后，利用本文推薦的隧道工人年均個(gè)人劑量計(jì)算方法，綜合各項(xiàng)實(shí)測(cè)參數(shù)，以年均個(gè)人劑量為指標(biāo)來(lái)判斷隧道施工階段是否需要采取專(zhuān)門(mén)的輻射防護(hù)措施。

2.3 施工人員個(gè)人劑量計(jì)算

根據(jù)摩崗嶺隧道的實(shí)際施工情況調(diào)查得出各工序施工人員年均工作時(shí)間如表5所示。結(jié)合已測(cè)得的隧道各工序環(huán)境γ輻射劑量率值，根據(jù)1.2節(jié)式(2)，可分別計(jì)算出各工序下由圍巖γ輻射導(dǎo)致的工人年照射劑量。

工人內(nèi)照射劑量部分包含吸入222Rn及其子體所致工人年有效劑量和吸入圍巖粉塵所致工人年有效劑量。通過(guò)摩崗嶺隧道開(kāi)展測(cè)試的掌子面距洞口距離L與隧道橫斷面面積S之積可計(jì)算得出通風(fēng)段隧道體積V，利用隧道實(shí)測(cè)通風(fēng)風(fēng)速Q(mào)與V的比值，按表1取值，得摩崗嶺隧道平衡系數(shù)FRn=0.2，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)各工序空氣氡濃度值及工人年均工作時(shí)間代入式(3)中，計(jì)算得出各工序工人吸入222Rn及其子體所致工人年有效劑量。將現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)得的放射性核素比活度值與各工序工人年均工作時(shí)間代入式(4)中可得吸入圍巖粉塵所致工人年有效劑量。式(2)、(3)、(4)結(jié)果之和即為隧道工人年均個(gè)人有效劑量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

2.4 摩崗嶺隧道施工人員個(gè)人劑量評(píng)估及建議

由隧道工人年均個(gè)人劑量計(jì)算結(jié)果可知： 摩崗嶺隧道各工序施工人員年均個(gè)人劑量處于0.203～1.13 mSv。其中，出渣、噴漿、鉆孔裝藥工序施工的工人年均個(gè)人劑量低于1 mSv，無(wú)需采取專(zhuān)門(mén)的輻射防護(hù)措施，無(wú)需開(kāi)展個(gè)人劑量監(jiān)測(cè)，施工可保持目前的通風(fēng)及施工工法。而初期支護(hù)施工人員年均個(gè)人劑量處于1～5 mSv，施工期間需選擇此工序部分施工人員開(kāi)展個(gè)人監(jiān)測(cè)，并且加強(qiáng)通風(fēng)降低其個(gè)人劑量主要來(lái)源(吸入氡及其子體致照射劑量)。

表5隧道工人個(gè)人年均有效劑量估算結(jié)果

Table 5 Estimation result of tunnel workers′ average individual effective dose per year

工序年均工作時(shí)間/h外照射E/mSv內(nèi)照射EnERn/mSvEα/mSv年均個(gè)人劑量DZ/mSv出渣1 4009.8×10-60.8333.95×10-30.837初期支護(hù)2 2007.24×10-51.1272.61×10-31.13噴漿1 6004.82×10-50.1994.14×10-30.203鉆孔裝藥1 5005.88×10-50.7353.00×10-30.738

3 總結(jié)

目前，我國(guó)對(duì)于隧道施工人員接受輻射影響的評(píng)估方法及相關(guān)規(guī)范較少且指標(biāo)限值無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，參考各行業(yè)輻射相關(guān)評(píng)估方法及規(guī)范，結(jié)合隧道施工環(huán)境封閉、工序復(fù)雜、工人接受輻射途徑多且時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，通過(guò)測(cè)試隧道內(nèi)的環(huán)境γ輻射劑量率、空氣氡濃度、粉塵質(zhì)量濃度和圍巖放射性核素比活度等指標(biāo)參數(shù)，以工人年均個(gè)人劑量為主要評(píng)估限值，推薦了一套基于新奧法施工的山嶺隧道施工階段輻射對(duì)施工人員影響的評(píng)估方法。

該方法不僅全面地考慮了隧道不同工序施工人員接受輻射的時(shí)間長(zhǎng)短、輻射來(lái)源等特點(diǎn)，而且輻射指標(biāo)的選取符合山嶺隧道施工的實(shí)際情況，具有一定的適用性。

隨著我國(guó)隧道施工的大量開(kāi)展，必將出現(xiàn)更多、更為嚴(yán)重的隧道穿越輻射異常區(qū)的工程地質(zhì)問(wèn)題。在今后的隧道勘察設(shè)計(jì)及施工中，應(yīng)重視隧道輻射影響，合理設(shè)計(jì)隧道施工方案，及時(shí)開(kāi)展相關(guān)測(cè)試評(píng)估，防止輻射對(duì)施工人員及旅客產(chǎn)生危害。

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