圭嘎拉高海拔隧道施工人員體力勞動強度評價

鄭 鑫， 郭 春, *， 王 欣， 王帥帥

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川 成都 610031； 3. 中交第二公路工程局有限公司， 陜西 西安 710065)

0 引言

我國自2000年出臺西部大開發政策以來，一直將西部交通基礎設施建設視為重點。2018年10月，中央財經委員會召開會議，研究川藏鐵路規劃建設問題，川藏鐵路規劃總長1 700 km，沿線平均海拔4 000 m左右，橋隧占比在80%以上，隧道工程將迎來新一輪發展。同時，由于川藏鐵路沿線海拔較高，加上本身半封閉的特點，隧道工程建設也將面臨嚴重的缺氧問題。在低壓、低氧的環境下，從事體力勞動可能加重機體缺氧程度及生理負荷，導致人員的勞動能力下降[1-5]，過重體力勞動導致機體細胞嚴重缺氧可能誘發高原腦水腫[6]、高原肺水腫和高原心臟病[7]。因此，有必要評價高海拔隧道施工人員體力勞動強度，為隧道施工組織提供依據。

吳秋軍等[8]通過資料調研及理論計算，得到人體勞動的平均能量代謝率海拔修正系數，并進行不同海拔下隧道關鍵施工工序勞動強度劃分。張堯等[9]通過實測，從生理指標變化及勞動強度指數方面評價不同海拔下電力運行維護工人的勞動強度。沈維春等[10]通過實測，計算得到不同海拔下西藏電網工人的勞動能量消耗及時間消耗，并結合能量消耗及時間消耗統計分析，得到各海拔高度對應的勞動降效指標。綜上，目前研究均基于肺通氣量計算能量代謝率，未考慮所使用公式在高海拔地區的適用性，而且缺乏對隧道這種特殊作業環境下的勞動強度測試，對于勞動強度評價的指標單一。

本文依托圭嘎拉隧道進口段(海拔4 300 m)及1#斜井段(海拔4 560 m)的現場實測，基于耗氧量計算能量代謝率，從心肺功能指標及勞動指數2方面評價主要工序的勞動強度，以期為高海拔隧道施工勞動保護及作業制度的制定提供依據。

1 對象與方法

1.1 研究對象

隧道進口段選取的測試工序為掌子面鉆炮眼、掌子面噴漿、二次襯砌鋼筋綁扎、二次襯砌防水布鋪設、二次襯砌澆筑，1#斜井段選取的測試工序為掌子面鉆炮眼、掌子面噴漿、二次襯砌防水布鋪設、二次襯砌澆筑。每個測試工序挑選5名工人作為測試對象，所選測試對象均為身體健康、年齡在30～50歲的漢族男性。測試對象高原暴露時間為0.5～1.5年，且睡眠、飲食、勞動均無顯著障礙，確定測試對象均已達到習服。

1.2 研究方法

1.2.1 生理指標測試

1)選擇能夠反映人員勞動能力變化的生理指標作為測試指標，主要有心率、血氧飽和度、肺通氣量、耗氧量。

2)測試儀器為耶格Oxycon Moblie遙測運動心肺功能測試系統(見圖1)，通過耳夾式脈搏血氧儀采集心率及血氧飽和度，呼吸面罩采集肺氣通量及耗氧量。采集數據經無線模塊傳輸至電腦。

3)在每個工序開始前為受測人員穿戴儀器預熱15 min，從勞動開始進行正式測試，測試時間持續整個勞動過程，全程通過電腦監控受測人員的生理指標變化。

(a)

(b)

1.2.2 環境因素測試

通過Oxycon Moblie心肺功能測試系統測試隧道進口段及1#斜井段工作場所大氣壓，使用希瑪AS8901手持式氧氣測試儀測試含氧量。

1.2.3 勞動時間率測試

每個工序勞動時間的測定自勞動開始至勞動結束，減去過程中的休息時間，獲得凈勞動時間。每個工序測定3次凈勞動時間，取平均值，計算勞動時間率。

1.2.4 勞動強度指數計算

TB/T 2607—2006《鐵道行業體力勞動強度分級》[11]根據體力勞動強度指數I對勞動強度進行分級，實現勞動強度量化。體力勞動強度指數的影響因素主要包括能量消耗以及時間消耗。

1.2.4.1 體力勞動強度指數計算

I=3Rt+1.673M(1+K)。

(1)

式中：I為體力勞動強度指數；Rt為勞動時間率，%；M為工作日平均能量代謝率，kJ/(min·m2)；K為海拔修正系數，海拔3 000～4 000 m時為0.65，≥4 000 m時為0.72。

1.2.4.2 勞動時間率計算

Rt=∑Tsi/T×100%。

(2)

式中： ∑Tsi為工作時間內凈勞動時間，min；Tsi為單項勞動占用時間，min；T為工作日總時間，min。

1.2.4.3 平均能量代謝率計算

M=(∑Esi×Tsi+∑Erk×Trk)/T。

(3)

式中：M為工作日平均能量代謝率，kJ/(min·m2)；Esi為單項勞動能量代謝率，kJ/(min·m2)；Tsi為單項勞動占用時間，min；Erk為休息時的能量代謝率，kJ/(min·m2)；Trk為休息時占用時間，min；T為工作日總時間，min。

規范[11]中基于肺通氣量計算能量代謝率，計算公式僅適用于肺氣通量為3.0～30.9 L的情況。以往研究發現高海拔大強度體力勞動肺通氣量遠超過30.9 L[5]，本次測試同樣發現高海拔隧道內體力勞動時肺通氣量(已化為標準狀態下的值)常大于30.9 L，因此基于肺通氣量的能量代謝率計算公式并不能完全適用，本項研究采用臨床醫學公式[12]，基于耗氧量測試計算能量代謝率，計算公式如下：

M=(20.19x)/A。

(4)

式中：M為工作日平均能量代謝率，kJ/(min·m2)； 20.19為氧熱價，kJ/L；x為耗氧量，L/min；A為單位體表面積，m2。

1.2.5 評價標準

根據TB/T 2607—2006《鐵道行業體力勞動強度分級》，將勞動強度分為5級，如表1所示。

表1 體力勞動強度分級

GBZ 2.2—2007《工業場所有害因素職業接觸限值 第2部分： 物理因素》[13]中規定： 工作日內從事任何單項體力勞動時，最大心率值不應超過150 bpm；工作日8 h總能量消耗不應超過6 276 kJ或7.824 kJ/(min·m2)。以往研究[9]中對于血氧飽和度的要求標準是不小于85%。

1.2.6 統計方法

所測數據以x±s表示，結果分析采用方差分析。

2 結果分析

2.1 測試影響因素分析

測試目的是旨在分析海拔高差以及勞動強度對不同工序施工人員生理指標的影響差異。但是，掌子面鉆炮眼及掌子面噴漿測試地點在掌子面附近，而二次襯砌鋼筋綁扎、二次襯砌防水布鋪設、二次襯砌澆筑測試地點在二次襯砌臺車附近，2個不同地點的氧分壓差異可能會影響測試結果。環境因素測試結果顯示，進口段兩地點大氣壓為60.6～60.7 kPa，氧含量均為20.9%，氧分壓為12.66～12.68 kPa； 1#斜井兩地點大氣壓均為57.7～57.8 kPa，氧含量為20.9%，氧分壓為12.06～12.08 kPa。進口段、1#斜井段兩地點氧氣分壓差異均小于0.02 kPa。

2.2 心肺功能指標評價

以往研究顯示，勞動者從事體力作業時，經過4～5 min即可達到與勞動強度相適應的水平，進入作業階段的穩定期[14]。本次測試結果也顯示受測人員在勞動開始5 min內心肺功能指標變化波動大，因此選取5 min以后心肺功能指標的平均值代表體力勞動人員勞動狀態下的心肺功能指標。

不同海拔隧道不同工序下體力勞動人員的心率如表2所示。由表2可見： 不同工序下，施工人員的心率差異較直觀。其中，鋼筋綁扎工序下，施工人員平均心率達到136 bpm，雖未超過衛生限值(150 bpm)，但個別受測者心率已超過140 bpm，需要引起重視。進行掌子面噴漿及二次襯砌澆筑工序時，施工人員勞動強度較輕，平均心率較低。

表2 不同海拔隧道不同工序下體力勞動人員的心率

不同海拔隧道不同工序下體力勞動人員的血氧飽和度如表3所示。由表3可見： 不同工序勞動強度引起的血氧飽和度差異較明顯。其中，鋼筋綁扎工序下，施工人員的平均血氧飽和度已下降到80%，嚴重低于衛生限值(85%)。掌子面鉆炮眼及防水板鋪設工序下，施工人員的平均血氧飽和度也已接近衛生限值(85%)。掌子面鉆炮眼和二次襯砌澆筑工序下，施工人員血氧飽和度保持在較安全的范圍。高強度體力勞動時呼吸頻率增快，使吸入氣在肺泡內與血液交換時間縮短，從而限制了氧的彌散效率，導致了血氧飽和度下降。

從心肺功能指標(心率、血氧飽和度)角度分析，鋼筋綁扎工序是勞動強度最大的工序，原因是該工序下施工人員需要參與大量鋼筋搬運；掌子面噴漿及二次襯砌澆筑是勞動強度相對較小的工序，原因是該工序機械化程度高，施工人員大部分時間通過操縱機械施工。

表3 不同海拔隧道不同工序下體力勞動人員的血氧飽和度

2.3 勞動強度指數評價

基于耗氧量(見表4)計算平均能量代謝率,不同海拔隧道不同工序下施工人員的平均能量代謝率如表5所示。由表5可見： 不同工序下，施工人員平均能量代謝率差異明顯。其中，掌子面鉆炮眼及鋼筋綁扎工序下，施工人員平均能量代謝率較大，均超過衛生限值(7.824 kJ/(min·m2))，其余工序平均能量代謝率均未超過衛生限值。低氧反應引起的通氣過度及高勞動強度造成的呼吸肌劇烈運動，促使機體耗氧量增加，即引起平均能量代謝率增加。

隧道進口段與1#斜井段各工序每日施工時間大致相同，因此取為相同，如表6所示。

表4 不同海拔隧道不同工序下施工人員的耗氧量

表5 不同海拔隧道不同工序下施工人員的平均能量代謝率

注： *表示進口段與1#斜井段比較，顯著性P<0.05。下同。

表6隧道不同施工工序勞動時間率

Table 6 Working time rate of different tunnel construction procedures

工序 勞動時間/min勞動時間率/%掌子面鉆炮眼3000.625掌子面噴漿2400.5二次襯砌鋼筋綁扎4200.875二次襯砌防水布鋪設4200.875二次襯砌澆筑4200.875

不同海拔下隧道各類施工工序勞動強度分級見表7。結果顯示，各工序勞動強度大部分為中度—極重度，與以往研究結果較吻合[8]。各工序間由于存在能量消耗及時間消耗差異，勞動強度指數差異有所區別，其中鋼筋綁扎工序勞動指數達到35，屬于極重體力勞動，在施工人員組織時需要采取特殊考慮，考慮增加施工人員數量或縮短作業時間。

表7 不同海拔下隧道不同施工工序勞動強度分級

由于各工序測試樣本較少，為分析海拔差異帶來的體力勞動強度差異，通過計算掌子面鉆炮眼、掌子面噴漿、二次襯砌防水布鋪設、二次襯砌澆筑4個工序勞動強度指數平均值，獲得綜合勞動強度指數，結果如表8所示。可知，260 m的海拔差異造成的隧道施工綜合勞動強度指數差異具有統計學意義(P<0.05)。因此，相比進口段，1#斜井段在施工組織時應調整作業人員數量或作業時間。

表8不同海拔下隧道施工綜合勞動強度指數

Table 8 Comprehensive labor intensity indices of tunnel construction at different altitudes

不同海拔測試個體數勞動強度指數進口段(海拔4 300 m)2017.9±5.6?1#斜井段(海拔4 560 m)2019.7±5.7

3 結論與討論

1)對比進口段和1#斜井段，260 m的海拔差距造成約0.4 kPa的氧氣分壓差異，除二次襯砌鋼筋綁扎外的4個工序的綜合勞動強度指數差異具有統計學意義(P<0.05)。

2)隧道各工序勞動強度不一，大部分為中度—極重度(海拔4 300～4 560 m)。從心肺功能指標及勞動強度指數2個角度看，勞動強度最大的工序都是鋼筋綁扎，其次是掌子面鉆炮眼。以上2個工序均有生理指標超過衛生限值的情況，需要通過調整施工人員組織或者進行針對性供氧，以確保施工安全且有效率地進行。

3)在高海拔隧道內進行體力勞動時，肺通氣量(已化為標準狀態下的值)常常大于30.9 L，現行規范中基于肺通氣量計算平均能量代謝率的公式不完全適用，臨床醫學公式基于耗氧量測試計算平均能量代謝率，可作為計算公式選擇之一，但仍需通過相應對比試驗進行驗證。

4)施工人員習服時間長短、隧道環境因素變化(氧分壓、溫濕度)、隧道施工進尺等因素均可能對施工人員勞動能力造成影響，進而影響生理指標測試結果。因此，仍需進一步研究上述因素對施工人員生理指標的具體影響程度。