曹海濤 張文濤 伊小娟 謝榮強(qiáng)

（四川省核工業(yè)輻射測試防護(hù)院（四川省核應(yīng)急技術(shù)支持中心）,四川 成都 610000）

1 地底深處氡濃度測量的必要性

氡及其子體在各種工程隧道開挖的過程中對人體的輻射劑量已經(jīng)引起了人們的重視，在隧道開挖前無法估量地底深處氡濃度及氡析出率的大小，在開挖時便無法做出相應(yīng)的預(yù)防措施，對深層的氡濃度及析出率的測量顯得尤為重要。目前國內(nèi)氡濃度的測量的主要依據(jù)是《氡及其子體在大氣環(huán)境中的測量方法》（NFM 60—763）和《氡及其子體測量規(guī)范》（EJ/T 605—91）。僅針對淺表層土壤中氡濃度進(jìn)行測量，對地底深處幾百米處的氡濃度及其析出率尚無明確的測量方法和標(biāo)準(zhǔn)。全文總共分為4個部分來解析該方法的實(shí)驗(yàn)過程：1） 現(xiàn)有的氡濃度的測量儀器和方法簡介利用現(xiàn)有的儀器和方法對地底深處氡的測量所面臨的難點(diǎn)。2） 針對所需要攻克的難點(diǎn)進(jìn)行理論推導(dǎo)，結(jié)合現(xiàn)有的儀器初步總結(jié)整套測量方法的理論依據(jù)和實(shí)操的可行性。3） 用初步設(shè)計(jì)的測量方法及測量儀器對各深度的地下進(jìn)行監(jiān)測，從而驗(yàn)證測量方法的可行性。4） 根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有針對性地對儀器和方法進(jìn)行調(diào)整。通過該課題研究，初步擬定了針對地下深處的氡濃度及其子體的測量方法。

2 地底深處氡濃度測量系統(tǒng)

2.1 地底深處氡濃度測量的意義

目前，我國高速公路和鐵路發(fā)展迅猛，隨著大量隧道的開挖，在開挖的過程中，人們越來越重視氡及其子體對工作人員的危害，有研究表明氡及其子體對人體所產(chǎn)生的輻射劑量占人體所受到的天然輻射劑量的50%以上。由于地底環(huán)境的未知性和不可達(dá)性，因此不能準(zhǔn)確地判斷開挖隧道的巖石圈的氡濃度和氡析出率，工作人員未能及時地采取有效的防護(hù)措施，從而會對其人身產(chǎn)生傷害。如果在施工前就能夠預(yù)先測試出隧道開挖點(diǎn)的氡濃度或氡析出率，那么就能及時制定相應(yīng)的防護(hù)措施及方案，可以選擇避開高輻射區(qū)域，也可以提前進(jìn)行監(jiān)控，從而達(dá)到保護(hù)工人免受氡及其子體所帶來的危害的目的。

現(xiàn)有的監(jiān)測方法及儀器只能監(jiān)測土壤中的氡濃度，也就是表層范圍內(nèi)的氡濃度，目前亟需一種在初勘階段就能監(jiān)測出地底一定深度的氡濃度的方法為隧道開挖提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，且可以及時采取有效的防護(hù)措施。

2.2 現(xiàn)有儀器和測量方法

該實(shí)驗(yàn)選用的測氡儀為PQ2000型測氡儀，該測氡儀是目前公認(rèn)的測氡標(biāo)準(zhǔn)儀器，具有測量精度高、誤差較小以及可連續(xù)測量等一系列特點(diǎn)。PQ2000的測量原理是基于成熟的脈沖電離室原理（α能譜儀），測量方法為《氡及其子體測量規(guī)范》（EJ/T 605—91）[1]。但是該方法僅能對淺層土壤中的氡濃度進(jìn)行測量，測量深度為70 cm~100 cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到幾百米的深度?，F(xiàn)有的測氡原理是利用1 m長的空心鋼釬打入地底，再連接抽氣泵、測氡儀器以及干燥器，對土壤中的氡濃度進(jìn)行測量[2]。根據(jù)現(xiàn)有的儀器，在原有的方法原理上進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)后的方法總體上是可行的。

2.3 地底深處氡濃度測量方法理論假設(shè)

現(xiàn)有測量方法的總體思路是要將地底含有氡濃度的氣體采集到地面，再在PQ2000連續(xù)測氡儀內(nèi)進(jìn)行測量。為了能將地底析出的氡氣采集到地面，可以利用在地質(zhì)初勘階段使用的鉆井，鉆井通常會鉆探到地底隧道所要開挖的深度。目前地質(zhì)勘查上的鉆井所使用的鉆桿為中空，如果將連續(xù)測氡儀與鉆桿連接起來，使地底析出的氡氣通過鉆桿被抽進(jìn)測量儀器中，就能測量到該深度氡濃度的數(shù)值。因?yàn)殡睔馐遣粩嗟匚龀龅?，所以在鉆桿中會存在富集，這樣就需要一個真空泵將原有富集的氡氣全部抽出地面，氡濃度隨著真空泵的工作會一直下降，同時氡又按照一定的速率均勻地析出，當(dāng)氡濃度下降到一定數(shù)值時，氡濃度趨于穩(wěn)定，通過該氡濃度值、采樣時間及抽氣體積可以算得氡析出率。

具體的測量方法如下：1） 用真空泵連接鉆桿，經(jīng)過一定時間的抽氣，抽空鉆桿內(nèi)富集的空氣，新析出的氡氣逐漸擴(kuò)散至整個鉆桿。2） 將鉆桿與連續(xù)測氡儀連接，通過連續(xù)測氡儀自帶的抽氣泵開始抽氣，使用連續(xù)測氡儀對新析出的氡氣進(jìn)行測量，從而得出地底深處的氡濃度，并算出氡析出率。

2.4 監(jiān)測系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)

根據(jù)理論假設(shè)的方法，整個系統(tǒng)由連續(xù)測氡儀、鉆桿、真空泵、連接管線及閥門組成。詳細(xì)連接方式如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

監(jiān)測時：先關(guān)閉閥門B，打開閥門A，打開真空泵，根據(jù)真空泵的流量和鉆桿內(nèi)空氣的體積，算出真空泵抽氣的時間，將已富集的氡氣全部抽出后，關(guān)閉真空泵，關(guān)閉閥門A，打開閥門B，打開抽氣泵及連續(xù)測氡儀，開始測量新析出的氡氣。一定要保證整個系統(tǒng)的閥門及管線鏈接處的氣密性。在測氡儀的進(jìn)氣端應(yīng)連接安全瓶。

2.5 現(xiàn)場試驗(yàn)測量及數(shù)據(jù)分析

考慮到氡氣在液體和固體中的吸附性，該現(xiàn)場試驗(yàn)選擇2個鉆井為干孔，巖層結(jié)構(gòu)均為花崗巖，鉆井中無液體存在。

2.5.1 現(xiàn)場監(jiān)測工作方案

為了得到可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場測量之前必須做好相應(yīng)的監(jiān)測工作方案，在試驗(yàn)過程中嚴(yán)格按照監(jiān)測工作方案實(shí)施。該監(jiān)測工作方案如下：1） 監(jiān)測依據(jù)。該監(jiān)測是基于《氡及其子體測量規(guī)范》（EJ/T 605—91）[1]。2） 監(jiān)測因子。空氣中的氡濃度。3） 監(jiān)測環(huán)境說明?，F(xiàn)場監(jiān)測時，收集環(huán)境溫度、環(huán)境濕度以及天氣狀況等信息。4） 使用儀器和方法。到達(dá)現(xiàn)場后首先檢查儀器的完整性和有效性，查看儀器的電壓是否正常，干燥劑是否完好。用套管將測氡儀、真空泵與鉆桿連接起來，連接完畢后檢查氣密性。按照鉆井的深度、管口直徑以及真空泵的流量計(jì)算出第一階段的抽氣時間。5） 測量操作嚴(yán)格按儀器操作規(guī)程進(jìn)行，測量實(shí)行全過程質(zhì)量控制，按照統(tǒng)計(jì)學(xué)原則處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測前后檢查儀器的工作狀態(tài)是否正常。

2.5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

該試驗(yàn)監(jiān)測了孜拉山的2個鉆孔，鉆孔的深度相對比較深，測量前檢查了鉆孔的完整性，滿足相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)要求。該監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 空氣中氡濃度監(jiān)測結(jié)果

該監(jiān)測過程嚴(yán)格按照監(jiān)測工作方案執(zhí)行，數(shù)據(jù)結(jié)果真實(shí)可信，隨后對DE-孜拉山-深-07孔及DE-孜拉山-深-01孔2個深孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。

數(shù)據(jù)分析如下。

已知鉆桿的長度為380 m，直徑為50 mm，根據(jù)圓柱體的體積公式（如公式（1）所示）計(jì)算出鉆桿中空氣體積為745.75 L。

在套管及整個管線內(nèi)裝滿水，再用量筒測得其體積約為1.2 L。整個測量系統(tǒng)中的空氣體積為746.95 L，約為747 L。

該測量選用的真空泵速率為240 L/min，將原鉆桿富集的氡氣全部抽離共需要4 min。然后再用PQ2000連續(xù)測氡儀進(jìn)行測量，測量時間為10 min。在DE-孜拉山-深-07孔測得氡濃度值為32 Bq/m3，氡析出率為3.2 Bq/m3·min。

在DE-孜拉山-深-01孔測量得出的數(shù)據(jù)小于30 Bq/m3。經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，發(fā)現(xiàn)該鉆井的下方疑似存在大裂隙，整個系統(tǒng)未封閉，因此該試驗(yàn)結(jié)果不成立。

由于缺乏對地底深處的氡濃度進(jìn)行測量的相應(yīng)方法，因此研究人員無法有效地對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，該測量數(shù)據(jù)的有效性存疑。

整個系統(tǒng)按照最初的設(shè)計(jì)圖將測氡儀、抽氣泵、真空泵、相關(guān)的閥門及導(dǎo)管與地底的鉆桿連接起來，整個監(jiān)測系統(tǒng)如圖2~圖3所示。

圖2 DE-孜拉山-深-01孔現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)

圖3 DE-孜拉山-深-07孔現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)

2.6 測量方法的疑點(diǎn)及改進(jìn)

經(jīng)過2次現(xiàn)場試驗(yàn)及對最終數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該方法存在不足的地方是無法對數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性進(jìn)行判定。

如果鉆井的深度超過一定數(shù)值，則新析出的氡氣擴(kuò)散至整個系統(tǒng)的時間過長，不便于測量。

如果地下存在與外界相同的裂隙，則該方法存在較多的空氣稀釋，測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

針對以上的疑點(diǎn)，對整個實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，決定在真空泵和鉆桿之間增加1個固定體積的采樣器。具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

改進(jìn)后的測量系統(tǒng)的操作過程如下：1） 先關(guān)閉閥門B、C，開啟閥門A、D打開真空泵，抽出地下的空氣，讓地底的氡氣進(jìn)入采樣器。2） 關(guān)閉閥門A、D，打開閥門B、C和連續(xù)測氡儀，10 min后記錄第一次監(jiān)測的數(shù)值。該數(shù)值由原有的氡氣及新析出的氡氣組成。3） 重復(fù)第一步和第二步，然后記錄第二次監(jiān)測的數(shù)值。4） 對比第二次的監(jiān)測數(shù)值和第一次的監(jiān)測數(shù)值，如果明顯減少，則繼續(xù)按照第一步和第二步進(jìn)行操作，經(jīng)過多次測量，直到前后2次測量的氡濃度值相同時結(jié)束測量，該值即為該地底深度的氡濃度值。

改進(jìn)后的測量系統(tǒng)的總體思路是采用空氣采樣的原理，先把地底的空氣采集到特定容積的采樣器中，再通過連續(xù)測氡儀對采集的空氣樣本進(jìn)行測量。由于地勘的鉆井是一個漫長的過程，在該鉆勘的過程中會持續(xù)析出氡氣，最后在鉆桿中富集，因此第一次采集的空氣樣本所測到的氡濃度會很高，也不能反應(yīng)該點(diǎn)的氡濃度的析出速率，要立即對空氣進(jìn)行第二次采集，隨著鉆桿里富集的空氣被抽出，氡氣的析出速度趕不上抽氣的速度，這樣在第二次、第三次所采集的地底空氣樣本中的氡濃度會持續(xù)下降，直到鉆桿中富集的氡氣被全部抽出，只剩下該點(diǎn)持續(xù)析出的氡氣和抽離開的氣體氡濃度達(dá)到一種平衡，當(dāng)前后2次測量的數(shù)值相同或相近時，就說明已經(jīng)達(dá)到平衡，這樣容器里面采集的氣體中氡的含量就為均勻析出的氡氣。測量結(jié)果就為該深度的氡濃度值，再根據(jù)測量時間及容器體積就能計(jì)算得出氡氣的析出速率。

由于之前選擇的2處測量鉆井在初勘結(jié)束后便進(jìn)行封洞處理，并不能再次使用改進(jìn)的測量系統(tǒng)對其進(jìn)行測量，因此實(shí)驗(yàn)前后的數(shù)據(jù)未能進(jìn)行對比。該實(shí)驗(yàn)方法在理論推導(dǎo)和計(jì)算中可行，在實(shí)際運(yùn)用時還要另外選擇新的深孔鉆井進(jìn)行測量，但是該方法已經(jīng)對地底深處氡濃度的測量探究提供了方向，使地底深處氡濃度的測量成為可能。

3 結(jié)論

該文對新方法的探究是以實(shí)際應(yīng)用為前提的，經(jīng)過理論假設(shè)、推導(dǎo)、現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，最終得出新改進(jìn)的方法，該方法總體上可行，能準(zhǔn)確地測量地底一定深度的氡濃度及氡析出率；另外該方法也有相應(yīng)的局限性，如果該地點(diǎn)的氡濃度相對較低或氡析出率較為緩慢，則需要延長監(jiān)測時間，該方法數(shù)據(jù)測量的檢測下限也相對較高，但是如果作為隧道開挖前的氡的防護(hù)監(jiān)測，該方法就完全適用，該點(diǎn)的氡濃度一旦被系統(tǒng)檢測出來，就說明該點(diǎn)的氡濃度及氡析出率的值均達(dá)到了需要防護(hù)的限值，提前為隧道的開挖與防護(hù)提供了數(shù)據(jù)支撐，避免人體受到氡及其子體的侵害。