山嶺隧道施工人員輻射劑量評估方法及應用

徐 華， 唐垠斐， 張 鵬， 李王斌， 陳紫云

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031； 2. 甘孜州交通建設投資有限公司，四川 康定 626000； 3. 四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院， 四川 成都 610017)

0 引言

目前，我國在建或擬建隧道數(shù)量多，且隧道建設朝著長、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進行隧道開挖施工，并以形成復合式內外兩層襯砌來修建隧道的洞身，即以混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼支撐等為初期支護形式，最后澆混凝土二次襯砌[1]。隧道相比其他工程來說施工環(huán)境更為封閉，施工時粉塵質量濃度較高，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，往往會接受過高的輻射劑量，嚴重危害身體健康。但是，我國隧道施工環(huán)境下輻射影響方面的相關規(guī)范或規(guī)定無明確標準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的防護措施。近幾年，來國內外不乏隧道穿越輻射異常地質區(qū)的工程實例，例如廣福隧道[2]、分水坳隧道[3]、秦嶺特長隧道[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題。

目前，隧道工程界對隧道施工環(huán)境的輻射影響重視程度不高，相關輻射環(huán)境評價研究成果較少，采用的評價標準也各不相同。李冠超等[2]通過隧道圍巖的放射性核素測試，計算了內外照射指數(shù)，并以此為依據(jù)對廣福隧道輻射環(huán)境進行了分析研究。王廣才等[6]對某長隧洞進行了γ輻射劑量率測試及空氣氡濃度測試，并且分別對這兩個測試成果進行了分析，得出了隧道氡濃度超標而γ輻射劑量合格結論。段貴明等[7]對某鐵路隧道開展了空氣及土壤氡濃度測試、環(huán)境γ輻射劑量率測試以及水中總α、β測試等，并分別對各項測試成果進行了分析評價。由于目前隧道輻射環(huán)境方面的相關規(guī)范缺乏，多數(shù)研究者直接對某單一的測試數(shù)據(jù)進行分析評價，但隧道輻射環(huán)境對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，如果對這些方面進行單項評價，在一些復雜情況下難以明確地判斷隧道內部輻射環(huán)境是否會對工人產生危害，從而難以及時采取必要的防護措施。

本文以四川省甘孜州摩崗嶺隧道為例，結合山嶺隧道施工人員輻射劑量的不同來源、不同施工工序及工人工作時間與環(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輻射劑量率測試、隧道內空氣氡濃度測試、隧道粉塵質量濃度測試及圍巖放射性核素比活度測試等多項測試手段，并結合以上各項數(shù)據(jù)，提出1種隧道施工人員年均個人劑量綜合計算方法，全面考慮施工人員所受輻射劑量的來源，并選用目前已有的相關指標評估輻射環(huán)境對施工人員的影響，為山嶺隧道施工人員施工時所受的照射劑量評估提供1套較為合理的方法。

1 隧道施工人員個人劑量評估方法

1.1 評估指標選取及方法流程

隧道施工環(huán)境封閉且惡劣，施工人員勞動強度大、時間長，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展隧道施工階段輻射環(huán)境對施工人員的影響評估，同時參照GB 18871—2002《電離輻射防護與輻射源安全標準》[8]，選擇施工人員年均個人照射劑量為主要評估指標。施工人員在隧道施工中所接受的輻射劑量主要來源于γ輻射外照射，吸入氡、氡子體及含有放射性核素的粉塵。按內照射和外照射可將以上3種輻射劑量來源分為2類，外照射部分為環(huán)境γ輻射劑量，內照射部分為吸入氡氣及粉塵積累于體內產生的照射，如圖1所示。

圖1 隧道施工人員所受照射劑量來源

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

新奧法施工的山嶺隧道每個循環(huán)主要包括： 鉆孔裝藥、挖機出渣、施作初期支護(超前支護工作包含在此班組內)和掌子面噴漿4個工序，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，應按照不同工序分別開展隧道γ輻射劑量率、空氣氡濃度、粉塵質量濃度測試及圍巖放射性核素測試。測試時選擇環(huán)境最為惡劣的掌子面位置開展測試，采取巖樣用于測試圍巖放射性核素濃度，并且保持正常通風量，使測試環(huán)境最接近工人正常的工作環(huán)境。測試完成后，開展調查獲得不同工序工人的年均工作時間。結合工人年均工作時間計算出各工序工人個人年均照射劑量，并與選擇的劑量限值進行對比，從而判定隧道施工過程中是否需要采取專門的輻射處置措施保護施工人員身體健康。評估流程如圖2所示。

1.2 施工人員個人劑量計算

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 及其子體內照射有效劑量和含放射性巖粉內照射有效劑量，劑量計算公式如式(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為各工序實測γ空氣吸收劑量率， nGy/h；D0為隧道外天然源實測γ空氣吸收劑量率本底值， nGy/h；T為工作人員年均工作時間， 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量

ERn=ATCRnFRn[8]。

(3)

式中：ERn為222Rn子體所致的個人有效劑量當量， Sv/a；CRn為空氣222Rn活度濃度，Bq/m3；T為工作人員年均工作時間，h；A為轉換系數(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潛能濃度的轉換系數(shù)，工作水平/(Bq·m3)； 170為工作水平小時到工作水平月的轉換系數(shù)，h)；FRn為平衡系數(shù)，可按根據(jù)隧道通風量Q(m3/min)與通風段隧道體積V(m3)之比按表1取值[11]。

圖2 評估流程圖

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間(h)，按不同工序工人工作時間取值；K為空氣粉塵質量濃度，kg/m3，按不同工序實測值取值；fi為對應第i種放射性核素的吸入劑量轉換因子，mSv/Bq。

參數(shù)選取見表2。

表2 放射性核素吸入劑量轉換因子

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

根據(jù)以上3個部分的計算可以求得隧道各工序工作人員的個人年輻射劑量，利用此數(shù)據(jù)評估隧道輻射環(huán)境是否達標。

1.3 評估指標限值及防護建議

除了國家有關法規(guī)和標準所排除的照射以及予以豁免的實踐或源所產生的照射以外，工作人員在其工作過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)境下進行隧道施工工作，其在工作期間受到的照射均應屬于職業(yè)照射。

綜合參考已有的相關研究成果[9]及GB 18871—2002《電離輻射防護與輻射源安全標準》的規(guī)定，如果預計其職業(yè)照射劑量為1～5 mSv，則應盡可能進行個人監(jiān)測； 職業(yè)照射劑量可能大于5 mSv的工作人員必須進行個人監(jiān)測，從輻射防護最優(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)中公式計算得出的工人年照射劑量低于1 mSv，則無需采取專門的防護措施； 當隧道施工人員計算的年均照射劑量處于1～5 mSv時，需注意加強通風，并酌情選擇多個施工工人開展個人監(jiān)測； 當工人年照射劑量達到5～20 mSv時，必須對每一個參與施工的工人開展個人監(jiān)測，并且根據(jù)個人監(jiān)測數(shù)據(jù)開展隧道輻射處置措施； 當工人年照射劑量高于20 mSv時，需開展針對隧道輻射問題的專門研究，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2 160 m，最大埋深578 m，為2車道公路隧道，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于其他類巖石更高。為了查明隧道輻射環(huán)境是否正常，避免施工人員接受過量的輻射，應用本文提出的隧道輻射環(huán)境對施工人員的影響評估方法開展施工人員所受年均個人劑量評估。

2.2 測試儀器、方案及結果

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

由于隧道施工每個循環(huán)不同工序施工時間及環(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)場施工班組的安排情況，測試分鉆孔裝藥、挖機出渣、施作初期支護(超前支護工作包含在此班組內)和掌子面噴漿4個工序。每個工序于距離掌子面5 m位置分別測試X-γ空氣吸收劑量率、空氣氡濃度和粉塵質量濃度3種數(shù)據(jù)，并采取巖樣，用以進行室內放射性核素測試。開展以上測試時，對隧道各工序洞內通風管出風口的風速進行了測量，初期支護時風速為3.518 m/s，噴漿時為6.130 m/s，出渣時為3.082 m/s，鉆孔裝藥時為3.732 m/s，結果見表3和表4。

表3 現(xiàn)場測試結果

表4 圍巖放射性核素測試結果

結合現(xiàn)場實測通風管風速，不同工序下隧道空氣氡濃度在噴漿時最低，而此時通風風速也相對其他工序更高，由此可以看出空氣氡濃度與隧道通風量緊密相關，良好的通風環(huán)境能夠明顯降低隧道內空氣氡濃度。而隧道環(huán)境γ輻射劑量率在不同工序下變化不大，可見隧道環(huán)境γ輻射劑量率受隧道通風率及施工環(huán)境影響不大。隧道噴漿作業(yè)時，由于噴射砂漿回彈、水泥裝卸攪拌揚塵等原因，往往導致隧道內粉塵質量濃度超標。同時，由于爆破導致的部分圍巖粉塵仍然殘留彌漫于隧道內，且出渣時挖掘機等大型機械在狹窄的隧道內進行挖掘、裝載等作業(yè)，導致出渣階段圍巖粉塵質量濃度較高，隧道粉塵質量濃度現(xiàn)場測試結果與此實際情況相符。

從各工序來看，隧道各工序中除噴漿工序空氣氡濃度較低以外，其余3個工序空氣氡濃度接近GBZ 116—2002《地下建筑氡及其子體控制標準》[13]中400 Bq/m3的行動水平，環(huán)境γ輻射劑量率略高于天然環(huán)境γ輻射劑量率全國人口加權室內平均值[14]。此外，隧道粉塵質量濃度各工序均高于JTG F60—2009《公路隧道施工技術規(guī)范》中4 mg的限值[15]。獲得各項測試數(shù)據(jù)后，利用本文推薦的隧道工人年均個人劑量計算方法，綜合各項實測參數(shù)，以年均個人劑量為指標來判斷隧道施工階段是否需要采取專門的輻射防護措施。

2.3 施工人員個人劑量計算

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

工人內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。通過摩崗嶺隧道開展測試的掌子面距洞口距離L與隧道橫斷面面積S之積可計算得出通風段隧道體積V，利用隧道實測通風風速Q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)場實測各工序空氣氡濃度值及工人年均工作時間代入式(3)中，計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)場取樣測得的放射性核素比活度值與各工序工人年均工作時間代入式(4)中可得吸入圍巖粉塵所致工人年有效劑量。式(2)、(3)、(4)結果之和即為隧道工人年均個人有效劑量，計算結果見表5。

2.4 摩崗嶺隧道施工人員個人劑量評估及建議

由隧道工人年均個人劑量計算結果可知： 摩崗嶺隧道各工序施工人員年均個人劑量處于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人劑量低于1 mSv，無需采取專門的輻射防護措施，無需開展個人劑量監(jiān)測，施工可保持目前的通風及施工工法。而初期支護施工人員年均個人劑量處于1～5 mSv，施工期間需選擇此工序部分施工人員開展個人監(jiān)測，并且加強通風降低其個人劑量主要來源(吸入氡及其子體致照射劑量)。

表5隧道工人個人年均有效劑量估算結果

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

工序年均工作時間/h外照射E/mSv內照射EnERn/mSvEα/mSv年均個人劑量DZ/mSv出渣1 4009.8×10-60.8333.95×10-30.837初期支護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

目前，我國對于隧道施工人員接受輻射影響的評估方法及相關規(guī)范較少且指標限值無統(tǒng)一標準，參考各行業(yè)輻射相關評估方法及規(guī)范，結合隧道施工環(huán)境封閉、工序復雜、工人接受輻射途徑多且時間長等特點，通過測試隧道內的環(huán)境γ輻射劑量率、空氣氡濃度、粉塵質量濃度和圍巖放射性核素比活度等指標參數(shù)，以工人年均個人劑量為主要評估限值，推薦了一套基于新奧法施工的山嶺隧道施工階段輻射對施工人員影響的評估方法。

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間長短、輻射來源等特點，而且輻射指標的選取符合山嶺隧道施工的實際情況，具有一定的適用性。

隨著我國隧道施工的大量開展，必將出現(xiàn)更多、更為嚴重的隧道穿越輻射異常區(qū)的工程地質問題。在今后的隧道勘察設計及施工中，應重視隧道輻射影響，合理設計隧道施工方案，及時開展相關測試評估，防止輻射對施工人員及旅客產生危害。

參考文獻(References)：

[1] 朱漢華, 楊建輝, 尚岳全. 隧道新奧法原理與發(fā)展[J]. 隧道建設, 2008， 28(1): 11.

ZHU Hanhua, YANG Jianhui, SHANG Yuequan. New Austrian Tunneling Method and its development[J]. Tunnel Construction, 2008， 28(1): 11.

[2] 李冠超, 鐘麗艷. 廣福隧道放射性輻射環(huán)境初步研究[J]. 廣東化工, 2010, 37(6): 184.

LI Guanchao, ZHONG Liyan. A preliminary research on radiational environment of the Guangfu Tunnel[J]. Guangdong Chemical Industry, 2010, 37(6): 184.

[3] 申旺. 淺談分水坳隧道輻射防護[J]. 現(xiàn)代隧道技術, 2008, 45(6): 46.

SHEN Wang. Radiation-protection for Fenshuiao Tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology, 2008, 45(6): 46.

[4] 黃善金. 西康線秦嶺特長隧道放射性物質評價及防護[J]. 山西建筑, 2003, 29(5): 224.

HUANG Shanjin. Radiative assessment and protection in Qinling Tunnel[J]. Shanxi Architecture, 2003, 29(5): 224.

[5] 王平. 張?zhí)凭€隧道放射性地球物理調查[J]. 科技創(chuàng)新與應用, 2012(6): 1.

WANG Ping. Radioactive geophysical investigation of tunnels in Zhangtang Line[J]. Technology Innovation and Application, 2012(6): 1.

[6] 王廣才, 候勝利, 劉成龍, 等. 某長隧洞環(huán)境放射性評價研究[J]. 水文地質工程地質, 2006(6): 1.

WANG Guangcai, HOU Shengli, LIU Chenglong, et al. Assessment of environmental terrestrial radiation at a possible long tunnel site[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2006(6): 1.

[7] 段貴明, 譚建祖. 某新建鐵路隧道放射性調查及評價[J]. 西部探礦工程, 2014(3): 184.

DUAN Guiming, TAN Jianzu. Investigation and assessment on environmental terrestrial radiation of one railway tunnel[J]. West-China Exploration Engineering, 2014(3): 184.

[8] 電離輻射防護與輻射源安全標準: GB 18871—2002[S]. 北京: 中國標準出版社, 2002.

Basic standards for protection against ionizing radiation and for the safety of radiation sources: GB 18871-2002[S]. Beijing: Standards Press of China, 2002.

[9] 胡渭平. 陜西黃龍鋪鉬礦田礦產資源開發(fā)利用輻射環(huán)境影響研究[D]. 西安: 西安建筑科技大學, 2014.

HU Weiping. Study of radiation environmental impact by the development and utilization of mineral resources in the Huanglong-pu molybdenum ore field in Shaanxi Province[D]. Xi′an: Xi′an University of Architecture and Technology, 2014.

[10] 環(huán)境地表γ輻射劑量率測定規(guī)范: GB/T 14583—93[S]. 北京: 中國標準出版社, 1993.

Norm for the measurement of environmental terrestrial gamma-radiation dose rate: GB/T 14583-93[S]. Beijing: Standards Press of China, 1993.

[11] 礦工氡子體個人累積暴露量估算規(guī)范: GBZ/T 270—2016[S]. 北京: 中國標準出版社, 2016.

Specification for estimation of cumulative exposure to radon′s progeny for miners: GBZ/T 270-2016[S]. Beijing: Standards Press of China, 2016.

[12] 環(huán)境空氣中氡的標準測量方法: GB/T 14582—93[S]. 北京: 中國標準出版社, 1994.

Standard method for radon measurement in environmental air: GB/T 14582-93[S]. Beijing: Standards Press of China, 1994.

[13] 地下建筑氡及其子體控制標準: GBZ 116—2002[S]. 北京: 中國標準出版社, 2002.

Standard for controlling radon and its progenies in underground space: GBZ 116-2002[S]. Beijing: Standards Press of China, 2002.

[14] 王其亮. 中國的天然γ輻射劑量率水平[J]. 中華放射醫(yī)學與防護雜志, 2000, 20(5): 358.

WANG Qiliang. Natural environmental γ radiation dose rate in China[J]. Chinese Journal of Radiological Medicine and Protection, 2000, 20(5): 358.

[15] 公路隧道施工技術規(guī)范: JTG F60—2009[S]. 北京: 人民交通出版社, 2009.

Technical specifications for construction of highway tunnel: JTG F60-2009[S]. Beijing: China Communications Press, 2009.