某鐵路隧道項目施工過程氡來源及濃度影響因素研究

［關鍵詞］氡；隧道施工；析出率；輻射防護；通風

氡（222Rn）是一種無色、無味的放射性氣體，由于氡氣吸入后產生的短壽命衰變子體及其釋放的α粒子，會增加接觸者患肺癌的概率，1988年被世界衛生組織列為1類致癌物[1]。在隧道掘進過程中，由于隧道內新暴露巖石增多、滲水積水問題明顯、單向掘進通風較差、生產性粉塵濃厚居高不下等原因，氡的放射性危害占其他各項因素總和的50%以上，是隧道施工中的重要防控指標[2]。圍繞隧道內氡濃度影響，各國研究者進行了大量研究。王曙光等[3]構建了氡在破碎花崗巖山體及巷道中的運移和析出數值計算模型后發現，氡在巷道圍巖運移主要通過擴散和滲流作用，而在通風微正壓環境下，氡的運移受通風、圍巖和氡衰變的共同影響。Chauhan R.P等[4]測量了土壤、粉煤灰、沙子、水泥等建材內的氡擴散系數和氡擴散長度，結果表明建材的孔隙率和晶粒尺寸對氡析出率有顯著影響。Li X.Y等[5]分析了花崗巖、凝灰巖、石英砂巖、石灰巖、安山斑巖5種地質特征隧道內的氡水平，發現隧道內氡水平依次增加，且地質特性會影響隧道內氡濃度隨季節的變化規律。葉勇軍等[6]分析了水底介質氡析出率、氡傳輸速度、水中擴散系數及水體深度對水中氡濃度及水體表面氡析出率的影響，結果表明，水中氡濃度及水體表面氡析出率同氡傳輸速度、水底介質氡析出率、水體深度及水中擴散系數呈正相關。吳文浩[7]通過理論分析、試驗研究和數值模擬，研究了圓管狀多孔射氣介質內氡的運移和析出規律，發現滲流存在時，高壓側表面的氡析出率隨滲流速度的增大而減少，低壓側表面的氡析出率隨滲流速度的增大而增大。Yang J.M等[8]基于為期兩年的氡析出率現場監測數據發現，土壤含水量增加到10％時，氡析出率達到最大值，隨后濕度增加會抑制氡的析出，此外，氣溫對氡析出率存在明顯的正效應，土壤溫度則存在負效應，而氣壓的影響較低。

本文結合國內外研究成果和筆者的工程實踐經驗，淺析了某鐵路隧道施工中氡的來源及濃度影響因素，以幫助提升隧道施工各環節222Rn的濃度監測水平，將受到的氡危害限制在監管水平以下，保障隧道施工進度。

1 . 工程概況

某鐵路隧道建設項目，初步設計批復概算總額80.79億元，全長64.336 km，含2座共4.735 km的隧道。隧道施工采用風槍濕式打孔、反臺階法光面爆破、內燃挖掘機出渣的方式，襯砌與掘進同時進行，途經的地層巖性主要包括花崗巖、黏性土、砂巖、頁巖。根據《花崗巖隧道放射性影響評價報告》，兩座隧道的部分區段存在放射性大于約束值的情況，為評價放射性水平對隧道施工、運營的影響，對該項目重點區段開展在建期間的放射性監測。

2. 隧道施工中的氡來源

由于氡在礦石內部的擴散系數僅為10^-25m²·s^-1～10^-27 m²·s^-1，擴散率較低，可不考慮[9]。因此，可將隧道施工過程中環境氡的主要來源分為圍巖巖性、破碎礦石、圍護結構和隧道滲出水四類。

2.1 圍巖巖性

隧道掘進過程中，圍巖的巖性是決定隧道施工中氡濃度的主要因素。一方面，巖體不同，含有的天然放射性核素的種類、含量以及²²²Rn量不同；另一方面，由于氡的析出過程與圍巖巖體粒徑、含水量、孔隙度和疏密度等屬性有關，圍巖的巖性也會使得氡析出率受到極大的影響。

2.2 破碎礦石

隧道掘進過程中，炸藥裝填爆破產生碎片狀礦石，暴露面積增加，巖土礦物中的放射性氡更容易受內外作用力影響而遷移至外界介質，從而增加隧道中的氡濃度[10]。同時，爆破過程還會使得掌子面圍巖的裂縫增加，增加氡在空氣和水體中擴散、遷移途徑，提升氡的析出率。

2.3 圍護結構

隧道施工中，為保證隧道采空區的穩定，需要利用摻配添加劑的混凝土，配合鋼材，對拱頂空洞和隧道基底進行注漿。而由于圍護結構材料性質的不同，其原材料中鐳的含量和屏蔽效果也會有所不同，從而影響已建隧道內的氡析出率。

2.4 隧道滲積水

降雨和地表水滲入產生的地下水在重力作用下流過礦體時，會通過溶解作用將巖體孔隙、裂隙內的氡或其他放射性核素遷移出去，形成氡濃度較高的滲出水。而氡在水中和空氣中的平衡濃度比約為0.3[11]，因此，流入巷道的富氡水將成為隧道內氡的主要來源之一。

3 . 隧道空氣中氡濃度的影響因素

隧道施工中，巷道內空氣中氡濃度主要受三個方面的影響：①核素含量、孔隙度、粒徑形狀、鐳分布和含水量等巖層特性；②隧道內氣壓、溫度、通風等作業環境；③鉆孔、爆破、噴漿等施工作業方法。

3.1 巖層特性

除了圍巖和碎石中鐳含量的影響，巖礦特性同樣會對掌子面附近的氡析出率形成較大的影響。因為隨著礦體孔隙度、粒徑、含水量、形狀、元素組成和分布等特性的變化，其孔隙和微裂隙等表面結構和組分也會有較大的不同，從而影響氡在礦物表體的富集和析出行為[12]。如：①含煤礦體的鐳釷鉀含量相對較高，但其氡析出率較低，而在花崗巖中，氡的遷移十分顯著；研究表明，在砂巖型和頁巖型中，氡析出率也存在明顯的差別，分別為18.5 Bq·m^-2·s^-1 和5 Bq·m^-2·s^-1；[13]②隨著礦石粒徑的減少，氡析出率也會明顯增加；③隧道內滲出水內的氡濃度會受地下水流量、理化性質、穿過巖層的特性以及停留時間的影響；④由于氡氣釋放動能在干濕礦體中的差異，圍巖含水量的變化對氡的析出過程也有著重要作用，一般情況下，巖石礦物中氡析出率隨著含水量的增加而增加，達到一定的飽和水平后，隨著含水量增加而降低。

3.2 作業環境

隧道施工過程中，為保證作業環境，會采用軸流風機改善隧道內氣流特征。一方面，通風能促進外部新鮮空氣與內部富氡氣體的交換和稀釋，并隨著風速的增加，降低隧道內氡濃度；另一方面，通風方式的選擇，會對巷道內的氣壓形成影響。例如，當隧道外通風關閉3 h左右，隧道內氡濃度約增加1600%；而正壓通風相比負壓通風，能有效降低20%左右的隧道氡濃度[14]。

此外，隧道內的溫度大小，會對分子熱運動產生影響。隨著溫度升高，氡在巖石礦物中的吸附能力降低，氡析出速度增大。但由于隧道環境溫度較為穩定，這一影響僅需在爆破作業或通風關閉時考慮。

3.3 施工作業方法

鉆孔、爆破、噴漿、運輸、排水、防水等隧道施工作業方法對隧道內氡濃度同樣有著重要影響。例如：爆破作業會對隧道內氣流形成不同程度的擾動，且形成粒度大小完全不同的碎石，從而出現氡的突然釋放，導致巷道內氡濃度突然升高[15]；鉆孔和清渣運輸過程中，產生的揚塵和泥漿，會增加隧道內氡的析出；鉆孔會引起巖層空穴中積累氡的突然釋放；采用管道就近導出，能有效降低隧道內氡濃度；為降塵和清洗進行的噴灑或濕式作業，能有效降低隧道內氡濃度；采用土壤、黏土、防水板和混凝土等不同的密封性材料，隧道內氡的擴散系數能明顯下降。

4. 隧道中氡濃度水平的控制

考慮到氡的放射性危害，需要對隧道內的施工環境和放射性水平進行控制。從氡的來源和濃度影響因素兩個方面出發，將氡濃度水平控制手段可分為污染源防堵、優化通風方案兩個方面：

4.1 污染源防堵

氡主要來自礦體中已有的氡及核素衰變產生的氡，為此，可針對圍巖巖性、破碎礦石、圍護結構和隧道滲出水四個主要的氡污染源采取控制手段，從而在源頭上減少氡的遷移和析出。常見的手段可包括：①隧道施工前，加強地質調查，盡量選擇氡潛勢較低且地質巖性較好的地區規劃隧道建設；②隧道建設過程中的掘進方案，要科學設計，減少灰塵和低粒度碎石，降低氡的表面析出率；③在圍護結構的選材和設計，以及布設方式和時間上，要加強投入。盡量選用密封性好、含鐳較少的圍護材料，并及時對新暴露的掌子面進行屏蔽處理；④隧道內滲水和積水及時清理，且盡量采取管道運排的輸運方式。

4.2 優化通風方案

氡作為一種氣態污染物，主要以吸入的方式進入人體。因此，通過安裝風機加強隧道內外空氣的強迫對流，引入新鮮空氣稀釋和置換隧道內的富氡氣體，是一種見效快、效果好、成本低、易操作的方法。但隧道通風的效果，同隧道通風方式的選擇、通風管道的布設、通風流量的設計、通風距離的調控、持續通風的時長等都存在較大的關聯，因此，必須通過科學和合理的設計，強化隧道內通風的效果。具體包括：①斜井位置的選擇應盡量選擇換流較大且空氣清新的區域；②應盡量保證通風的持續性，減少故意或意外的關停；③爆破工作后，不立即進行人工施工作業；④通風管道的布設不宜過長，且離掌子面的距離不宜太遠；⑤隧道內可加裝各類針對氡氣體和揚塵的空氣凈化裝置等等。

5. 結論

加強隧道施工中氡的來源與濃度影響途徑研究，對控制隧道作業的輻射環境水平、保障隧道施工人員的健康具有重要意義。本文綜述了隧道施工中氡析出來源及析出率研究成果，結合某鐵路隧道建設項目，總結了隧道施工中空氣中氡的主要來源及其濃度影響因素，提出了污染源防堵和優化通風方案兩個方面的氡濃度水平控制策略，為探明隧道氡污染機制、改善氡污染控制手段、保障隧道施工，提供理論和實踐指導。