天目山隧道掘進粉塵監測與人員急性中毒原因分析

耿 偉， 付海陸， 劉 偉， 龐 偉， 曾愛斌， 官寶紅

(1. 中鐵隧道集團有限公司杭州公司， 浙江 杭州 310030； 2. 中國計量大學， 浙江 杭州 310018；. 杭州萬向職業技術學院， 浙江 杭州 310023； 4. 浙江大學， 浙江 杭州 310058)

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天目山隧道掘進粉塵監測與人員急性中毒原因分析

耿 偉1， 付海陸2,*， 劉 偉1， 龐 偉1， 曾愛斌3， 官寶紅4

(1. 中鐵隧道集團有限公司杭州公司， 浙江 杭州 310030； 2. 中國計量大學， 浙江 杭州 310018；. 杭州萬向職業技術學院， 浙江 杭州 310023； 4. 浙江大學， 浙江 杭州 310058)

天目山隧道施工過程中，作業人員出現眼睛紅腫及皮膚紅腫、脫落等急性中毒癥狀。為探明急性中毒原因，通過監測隧道內粉塵體積質量變化、分析粉塵化學組分，辨識出引起中毒的有害物質。經檢測發現，爆破后以2 274 m3/min的風量通風10 min，作業區的粉塵體積質量可降低至接觸限值(1 mg/m3)以下；超前小導管鉆孔時，作業區的粉塵體積質量為接觸限值的56倍，作業人員會出現顯著的急性中毒現象。另外，天目山隧道粉塵中釩、鎳、錳和鉻的含量以及圍巖中砷、銅、鉻、鎳和釩的含量均較高，特別是急性中毒發生時隧道空氣中釩和砷的體積質量最高，作業人員的癥狀與釩、砷的中毒診斷標準相符。可以判斷，隧道作業人員急性中毒主要由以釩和砷為主的粉塵所致。

天目山隧道； 急性中毒； 粉塵監測； 釩； 砷

0 引言

天目山隧道為杭州—黃山高鐵客運專線的控制性工程，全長12.013 km，地處浙皖交界的天目山山脈西南中低山區，起于浙江省淳安縣臨歧鎮徐家莊村，止于安徽省歙縣三陽鄉黃塢村，處于以休寧深斷裂與馬金—烏鎮斷裂為邊界的浙皖陷褶皺斷帶之魯村—麻車阜復式向斜的北西翼。

2015年3—7月，天目山隧道(DK213+400～+700)施工期間作業人員多次出現急性中毒癥狀： 眼睛紅腫、脹痛以及脖頸處皮膚有灼刺感、瘙癢、脫皮，這一現象在隧道施工過程中鮮有發生。隧道施工環境中有害因素主要包括氣態毒物和粉塵，其中前者包括窒息性氣體(如一氧化碳和甲烷等)和刺激性氣體(如二氧化硫和氮氧化物等)，在通風條件下氣態毒物一般不會對人體皮膚產生嚴重的刺激；隧道施工過程中打鉆、爆破、出渣和噴錨等工序會產生大量的粉塵，粉塵體積質量及其化學組分對作業人員身體健康會產生顯著的影響。因此，有必要從粉塵體積質量分布規律及其化學物質組成的角度探究急性中毒的原因。

天目山隧道施工過程中采用2 274 m3/min的風量進行壓入式通風，滿足開挖斷面最小風速(0.3 m/s)和內燃機廢氣稀釋要求。孫忠強等[1]研究發現，可將以風管為界的施工區域劃分為射流擴張區、射流收縮區、渦流區和回流區4個區域；徐景德等[2]研究了有源巷道中粉塵的運移規律，發現粉塵體積質量在發生源附近衰減較快，巷道下半斷面的粉塵體積質量高于上半斷面；WANG等[3]和Vega等[4]通過實測和模擬表明，風速、粉塵粒徑、作業區形態是影響粉塵擴散的主要因素。由于隧道施工環境復雜，單純的模擬難以真實反應出隧道內粉塵體積質量的分布，因此需要在施工現場實測粉塵的體積質量。

生產性粉塵對人體的健康危害多集中于呼吸系統和皮膚，主要表現為塵肺病和職業性皮膚病[5]。劉尚軍等[6]和Sisodia等[7]經研究發現，粉塵中的金屬元素可同時引起皮膚過敏和黏膜刺激等癥狀；林杰等[8]報道了暴露在含釩粉塵中作業工人出現的結膜炎和皮炎癥狀。綜上所述，已有的研究多集中于隧道施工粉塵體積質量的監測和模擬以及塵肺病的誘發狀況，對隧道施工過程中類似急性中毒的現象研究較少。通過對比同時施工的天目山隧道和相鄰的查坑隧道，研究隧道施工過程中粉塵體積質量及粉塵組分，解析引起作業人員急性中毒的物質，結合隧道圍巖組分確認了有毒物質，為提出針對性的防護措施提供了依據，從而保證施工的順利進行。

1 粉塵體積質量監測結果及分析

采用顆粒物自動采樣器和濾膜稱重法[9]對爆破后0～30 min隧道內掌子面、仰拱和二次襯砌3處典型的作業區進行了自然擴散和通風擴散條件下粉塵的體積質量測定；同時測定了爆破通風擴散施工時各作業班次(打鉆班、立拱班、出渣班、噴漿班、仰拱班和二次襯砌班)的粉塵體積質量和背景粉塵體積質量值。

1.1 天目山隧道粉塵體積質量變化

1.1.1 粉塵體積質量的時變特征

天目山隧道粉塵中游離SiO2的平均含量為40.3%，GBZ 2.1—2007《工作場所有害因素職業接觸限值(第1部分： 化學有害因素)》[10]規定隧道施工過程中粉塵容許接觸體積質量限值不應超過1 mg/m3。

隧道爆破施工后監測了0～10 min、10～20 min和20～30 min 3個時段的平均粉塵體積質量，在掌子面、仰拱處和二次襯砌處粉塵體積質量的時變特征如圖1所示。爆破后，隨著時間的增加，粉塵體積質量呈降低趨勢。

(a) 掌子面處

(b) 仰拱處

(c) 二次襯砌處

圖1 天目山隧道爆破后掌子面、仰拱處和二次襯砌處粉塵體積質量時變特征

Fig. 1 Time-dependent dust concentration variation at tunnel face, inverted arch and secondary lining after blasting in Tianmushan Tunnel

自然擴散條件下，掌子面處0～10 min的平均粉塵體積質量為63.71 mg/m3，20～30 min的平均粉塵體積質量為30.78 mg/m3；仰拱處0～10 min的平均粉塵體積質量為93.30 mg/m3，20～30 min的平均粉塵體積質量為43.51 mg/m3。掌子面和仰拱處的粉塵體積質量在30 min內均下降了約50%，但仍遠高于職業接觸限值1 mg/m3。二次襯砌處的粉塵體積質量從3.57 mg/m3(0～10 min的均值)降到0.32 mg/m3(20～30 min的均值)，低于職業接觸限值。通過對比不同作業區的粉塵體積質量可知，自然擴散條件下，仰拱處粉塵體積質量最高(30 min內均值為75.94 mg/m3)、掌子面處次之(30 min內均值為46.58 mg/m3)、二次襯砌處最低(30 min內均值為1.52 mg/m3)。原因主要為仰拱處的空間處于半封閉狀態，粉塵不易向外擴散從而導致其體積質量最高；二次襯砌處的粉塵主要從臺車中間的通道中擴散出洞口，不易向頂部操作臺面擴散，因此粉塵體積質量最低。

通風擴散條件下，從掌子面、仰拱處到二次襯砌處，30 min內的粉塵體積質量均值依次降低，分別為10.75 mg/m3、6.98 mg/m3和5.54 mg/m3。與自然擴散條件下的粉塵體積質量相比，仰拱處的粉塵體積質量顯著降低，而二次襯砌處的粉塵體積質量反而顯著增高，原因主要是通風加劇了空氣紊流，縱向擴散能力增強。由圖1可知，爆破后通風30 min，掌子面、仰拱和二次襯砌處的粉塵體積質量均可以降到職業接觸限值以下。

1.1.2 不同作業班次的粉塵體積質量變化特征

通風條件下，隧道施工過程中各個作業班次的粉塵體積質量和背景粉塵體積質量值如圖 2所示。噴漿班粉塵體積質量最高，為44.59 mg/m3，主要原因是在拌漿和噴漿過程中大量的混凝土物料飛濺；立拱班的粉塵體積質量為2.28 mg/m3，可能的原因是在立拱架過程中需要對圍巖表面進行翻刨平整，導致粉塵重新漂??；打鉆班粉塵體積質量為1.50 mg/m3，超出職業接觸限值；其他作業班的粉塵體積質量和背景體積質量值基本滿足職業接觸限值的要求。

圖2 天目山隧道施工過程中各作業班次的粉塵體積質量和背景粉塵體積質量值

Fig. 2 Dust concentration of all working shifts and background during Tianmushan tunneling

1.2 查坑隧道的粉塵體積質量

選取未發生作業人員急性中毒癥狀的查坑隧道為對比隧道。查坑隧道爆破作業后在自然擴散條件下掌子面的粉塵體積質量平均值見圖3。查坑隧道爆破作業后10 min內的粉塵體積質量平均值達到178.81 mg/m3，是天目山隧道粉塵體積質量的2.8倍；自然擴散30 min查坑隧道的粉塵體積質量平均值為99.91 mg/m3，是天目山隧道的2.1倍。查坑隧道粉塵體積質量高的原因是該隧道圍巖為Ⅲ級圍巖，采用全斷面爆破施工，炸藥用量大，爆破后粉塵體積質量相應也高。

圖3 掌子面自然擴散10 min和30 min后的平均粉塵體積質量

Fig. 3 Average dust concentration at tunnel face after 10 min and 30 min under natural diffusion condition

1.3 超前小導管鉆孔作業環境粉塵監測

2015年8月23日13:10進行掌子面超前小導管干式鉆孔，里程為DK213+685，掌子面風速比較大、粉塵體積質量較小，仰拱處和洞口處粉塵體積質量較大。2015年8月24日晚上，立拱班在仰拱處(里程： DK213+696)施工3～4 h、立3～4榀拱架下班后，出現了偶有咳嗽、眼睛微紅但無明顯刺痛感的癥狀。2015年8月25日早晨，立拱班11人均出現了眼睛睜不開、流淚、畏光、有刺痛感且有輕重不同的眼睛結膜充血但無明顯咳嗽、胸悶等現象，皮膚暫無問題。

隨后對空氣中的二氧化硫、氮氧化物、氨氣、硫化氫、一氧化碳和臭氧等進行了測定，發現在通風條件下氣態有害因子的體積質量均低于職業接觸限值。

超前小導管施工過程中粉塵體積質量監測結果如圖4所示。由圖4可知，干式鉆孔過程中，仰拱處的粉塵體積質量為56.04 mg/m3，遠遠高于未打鉆時的粉塵體積質量； 濕式鉆孔過程中，仰拱處的粉塵體積質量為4.88 mg/m3，說明采用濕式鉆孔可以顯著降低仰拱處的粉塵體積質量。隧道進口處(里程：DK213+797)的粉塵體積質量為6.7 mg/m3，遠遠高于背景粉塵體積質量值0.27 mg/m3，這是由于粉塵在從掌子面向洞口擴散的過程中受到沿程阻力，在洞口的擴散速度減緩，擴散效果變差。

在超前小導管干式鉆孔作業前和濕式鉆孔作業后，作業人員眼睛均未出現如此顯著刺激的癥狀，說明高體積質量粉塵是導致作業人員出現急性中毒癥狀的主要原因。

圖4 超前小導管鉆孔過程中仰拱和隧道進口處的粉塵體積質量

Fig. 4 Dust concentration at inverted arch and tunnel entrance during down-the-hole (DTH) drilling

2 粉塵有害組分解析與中毒機制探討

2.1 粉塵有害組分解析

根據職業中毒診斷標準[11-12]，可將作業人員的癥狀初步判斷為職業性化學性眼部和皮膚灼傷，主要刺激性物質可能是酸、堿、金屬氧化物和鹽類。結合職業性急性化學物的中毒診斷標準，篩選出砷、銅、鉻、錳、鎳和釩6種可疑的化學物質。在天目山隧道和查坑隧道施工過程中，粉塵中6種有害元素的含量如圖5所示。天目山隧道粉塵中有害元素含量(均值)從高到低依次是： 釩、鎳、錳、鉻、砷、銅，所有元素含量均大于0.01%；查坑隧道粉塵中有害元素的含量(均值)從高到低依次是： 銅、砷、錳、鉻、釩、鎳，其中銅、砷和錳的含量均大于0.01%，其他各元素的含量均小于0.01%。

(a) 砷(As) (b) 鉻(Cr)

(c) 銅(Cu) (d) 錳(Mn)

(e) 鎳(Ni) (f) 釩(V)

虛線代表平均值。

圖5 粉塵中有害元素含量

Fig. 5 Hazardous element contents in dust

天目山隧道粉塵中釩、鎳、錳和鉻4種元素的含量(均值)較查坑隧道高，其中釩、鎳的含量分別為查坑隧道的13.4倍和12.0倍；查坑隧道粉塵中砷和銅的含量較高，分為天目山隧道的1.4倍和1.2倍。天目山隧道粉塵樣品中釩的含量最高，個別樣品含量達到1 379.81 mg/kg，均值為764.80 mg/kg；查坑隧道粉塵樣品中銅含量最高，個別樣品含量達到644.96 mg/kg，均值為355.41 mg/kg。天目山隧道粉塵樣品中銅的含量最小，個別樣品含量達到134.36 mg/kg ，均值為66.14 mg/kg；查坑隧道粉塵樣品中鎳的含量最小，個別樣品含量達到83.69 mg/kg，均值為34.16 mg/kg?？傮w看來，天目山隧道粉塵含量的特點是金屬元素含量高，且釩的含量與查坑隧道差異顯著。

選擇1組出現急性中毒癥狀時的粉塵體積質量監測數據，將其換算為空氣有害元素的體積質量，空氣中有害元素的體積質量與接觸限值見表1。所有金屬元素的體積質量均未超過接觸限值，但是釩的體積質量高達34.97 μg/m3，為職業接觸限值的0.70倍；砷的體積質量達到6.41 μg/m3，為職業接觸限值的0.64倍。從對人體健康的影響程度上來看，釩和砷對人體的健康影響最為顯著。

表1 空氣中有害元素的體積質量與接觸限值

Table 1 Hazardous element concentrations in air and exposure thresholds

有害元素 實測值/(μg/m3)接觸限值/(μg/m3)實測值/接觸限值砷6.41100.64鉻9.40500.19銅7.0210000.0070錳(按MnO2計)25.961500.17鎳5.7310000.0057釩34.97500.70

2.2 中毒機制探討

短時間接觸大量砷及其化合物后會出現頭暈、頭痛、或伴有咳嗽、胸悶、眼結膜充血等黏膜刺激性癥狀[15]。砷性皮炎也可在皮膚接觸砷24 h或更短時間內發生，暴露部位出現紅斑和紅色栗狀丘疹，多密集成片，患部灼熱、瘙癢或刺痛[16]，然后出現糠秕樣脫屑，產生色素沉著，這些癥狀多出現在裸露和褶皺的皮膚處[17]。從作業人員的癥狀來看，皮膚瘙癢、灼熱和刺痛感出現在裸露的脖頸皮膚上，并出現了糠秕樣脫皮，未出現色素沉著，皮膚呈現棕褐色或黑色斑塊。

粉塵引起裸露皮膚急性刺激的作用機制如圖6所示。具體分析如下： 1)由于作業溫度高、勞動強度大，作業人員皮膚表面覆蓋汗液，呈弱酸性(pH為4.5～5.5)，同時有巖層滲水滴落在作業人員的皮膚上； 2)粉塵由于擴散作用散落在皮膚表面，在潤濕的皮膚表面粘附、沉積，其在水中的浸出液呈現強堿性(pH=10.34)； 3)由于釩和砷的氧化物為兩性氧化物，在酸性和堿性溶液中均易于溶出，2者的化合物通過毛孔和汗腺等到達皮膚內部，引起皮膚強烈刺激。

圖6 粉塵引起皮膚急性刺激的作用機制

Fig. 6 Sketch diagram of dust adhering, precipitating and poisoning on naked skin

3 人員中毒的地質原因分析

粉塵的組分主要來源于地質和巖層，有必要從地質角度進一步分析人員急性中毒的原因。天目山隧道出口縱斷面如圖7所示，開挖區域段隧址區出露的地層巖性表層主要為Qel+dl粉質黏土、粗角礫土，灰黃色，厚度為1.0～13.4 m；下伏基巖為寒武系下統荷塘組硅質泥、碳質泥巖，層狀構造，灰黑色，全-弱風化；圍巖等級屬于Ⅴ級圍巖，穩定性差，有裂隙水滲出。錢建民等[18]研究發現該地荷塘組黑色巖系金屬元素富集較多，其中砷屬于富集程度高的元素，釩和銅屬于較富集的元素，鎳屬于弱富集的元素，具有尋找釩和有色金屬礦的能力；劉闖等[19]發現該地毗鄰寧國—績溪錳礦帶，具有較為豐富的錳資源。綜上所述，可以判斷出隧道圍巖中具有較高的金屬含量。

圖7 天目山隧道出口縱斷面圖(單位： m)

對天目山隧道3批巖石和查坑隧道2批巖石所含元素的組分進行了分析，砷、銅、鉻、錳、鎳和釩的具體含量見圖8。

由圖8可知，天目山隧道圍巖中，元素含量由高到低依次為： 錳、鉻、釩、銅、鎳和砷，其中，錳和鉻的含量(均值)百分比均大于0.1%，砷的含量百分比小于0.01%；查坑隧道圍巖中元素含量由高到低依次為： 錳、鉻、銅、鎳、砷和釩，其中，錳和鉻的含量百分比(均值)均大于0.1%，鎳、砷和釩的含量小于0.01%。

天目山隧道圍巖中砷、銅、鉻、鎳和釩的含量均大于查坑隧道圍巖中對應的含量，其中砷和銅分別是查坑隧道的3.30倍和2.91倍；天目山隧道圍巖中釩的含量為676 mg/kg，而在查坑隧道圍巖中未檢出釩；查坑隧道圍巖中錳的含量高于天目山隧道，為天目山隧道錳含量的1.04倍?？傮w上看，天目山隧道圍巖中金屬含量較高，為粉塵中的高金屬元素含量提供了支撐。

(a) 砷(As) (b) 鉻(Cr)

(c) 銅(Cu) (d) 錳(Mn)

(e) 鎳(Ni) (f) 釩(V)

圖8 天目山隧道和查坑隧道圍巖中有害元素含量

Fig. 8 Hazardous element contents in surrounding rocks of Tianmushan Tunnel and Zhakeng Tunnel

4 結論與建議

1)爆破后自然擴散條件下，粉塵體積質量由高到低分布規律為： 仰拱處>掌子面>二次襯砌處，仰拱處的半封閉結構阻礙了粉塵擴散而使該處的體積質量最高；爆破后通風擴散10 min后，仰拱、掌子面和二次襯砌3處的粉塵體積質量均低于接觸限值。

2)在通風條件下噴漿、立拱和打鉆作業區的粉塵體積質量依然高于接觸限值，說明急性中毒癥狀的發生與高粉塵體積質量有關。

3)查坑隧道作業區的粉塵體積質量顯著高于天目山隧道，但是并未發生作業人員急性中毒的癥狀。天目山隧道圍巖中的砷、銅、鉻、鎳和釩的含量均高于查坑隧道，說明急性中毒癥狀的發生與金屬元素含量有關。

整體來看，天目山隧道作業人員中毒主要是由以砷和釩為主導的粉塵引起的，但具體由哪種因子引起的尚難以解決。有關中毒機制的研究主要根據已有的職業中毒文獻報道結合隧道環境狀況推導出來的，建議今后其他類似的研究能夠增加毒理性實驗以進一步精準辨識致病因子。

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Dust Monitoring and Causes Analysis for Acute Poisoning of Working Staffs During Tianmushan Tunneling

GENG Wei1, FU Hailu2，*, LIU Wei1, PANG Wei1, ZENG Aibin3, GUAN Baohong4

(1.HangzhouBranchofChinaRailwayTunnelGroupCo.，Ltd.,Hangzhou310030,Zhejiang,China;2.ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,Zhejiang,China;3.HangzhouWanxiangPolytechnic,Hangzhou310023,Zhejiang,China;4.ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,Zhejiang,China)

During the Tianmushan tunneling, some of the working staffs suffer from acute poisoning symptoms, such as blood-shot puffy eyes and red swollen skins followed by exfoliation. In order to find the causes of the acute poisoning, the hazardous substance that results in the acute poisoning is identified by monitoring the dust concentration variation in the tunnel and analyzing the chemical components of the dust. The detection results show that: 1) The dust concentration in the working zone can be lowered below exposure threshold, that is 1 mg/m3, after 10 min of ventilation with an air volume 2 274 m3/min after blasting. 2) The dust concentration in the working zone is 56 times exposure threshold during down-the-hole (DTH) drilling, which would causes acute poisoning symptoms of working staffs. 3) The concentrations of vanadium, nickel, manganese and chromium in the dust and those of arsenic, copper, chromium, nickel and vanadium in surrounding rocks are high, and the concentrations of vanadium and arsenic in section that acute poisoning of working staffs occurs are relatively high as well. The detection results coincide with the symptoms of vanadium and arsenic poisoning, which shows that the main causes of acute poisoning of working staffs are dust containing vanadium and arsenic.

Tianmushan Tunnel; acute poisoning; dust monitoring; vanadium; arsenic

2016-09-06;

2017-01-05

耿偉(1972—)，男，浙江杭州人，1994年畢業于西南交通大學，鐵路工程專業，本科，高級工程師，主要從事隧道及地下工程施工管理工作。E-mail: gengweigengwei@126.com。*通訊作者： 付海陸， E-mail: hlfu@cjlu.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.005

U 456.3+3

B

1672-741X(2017)05-0553-07