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地下隧道作业场所氡气防治研究
王世云 张金来 张国红 陈冬瑞 贾畅东 邢 军 郑蓉刚
（中国水利水电建设工程咨询北京有限公司、北京 100000）
摘要：氡是地壳中放射性铀、镭和钍的蜕变产物，是一种稀有气体，由地层中的岩石向四周扩散。氡气致矿工肺癌是最早记载并被证实的一种职业癌症，世界卫生组已证实氡是主要的环境致癌物质，因此在隧洞开挖施工工程中作业人员的健康问题值得我们关注，然而目前水电行业内关于氡气对作业人员的影响研究较为滞后，本文依托河南天池抽水蓄能电站的隧道开挖过程中的氡气检测工作，研究隧道开挖过程中氡气浓度的变化规律，对隧道施工过程中的职业病防治提供参考。
关键词：氡 隧道开挖 监测
1 概述
岩石和土壤中存在的铀系、钍系、锕系三个天然放射系元素经过衰变产生Rn-222、Rn-220、Rn-219三种放射性气体，其中Rn-219半衰期不到4秒钟，Rn-220半衰期为55.6秒钟，Rn-222半衰期为3.82天，前两者衰变期短对人体影响小，因此所谓的氡气通常是指的Rn-222。
氡气是致癌气体，在水电行业，氡浓度控制指标执行卫生部建筑室内环境控制规范，即当量浓度不能超过200Bq/m³。本文依托的水电工程-河南天池抽水蓄能电站有较多地下洞室，项目在前期地质探洞中监测到部分区域氡浓度超标，对本工程来说，氡气相关研究是具有较大的现实意义的。在地层中产生的放射性气体部分会聚集到岩石的孔隙和裂隙中，部分扩散到大气中。隧洞开挖过程中聚集在岩石中的氡气和岩石本身不断析出的氡气会使隧道空气里的氡气浓度不断升高，洞内作业人员吸入后会对人体健康造成较大的伤害，为减小氡气对他们的危害，本文对开挖期间隧洞氡气浓度的变化及防护措施的效应进行研究，对实际施工提供指导。
2 地下洞室氡气检测及分析
本项目首先根据前期地质探洞的监测数据进行分析，共四条地质探洞，分部于电站地下洞室群上部，其命名及长度如下：PD1长510m、PD1-1长366m、PD1-2长196m、PD1-3长68m。对四条地质探洞贯穿辐射剂量率检测并对异常点进行了氡析出率测量，结果见表1-1。
表1-1 氡析出率测量值
|
序号 |
检测点 |
氡析出率Bq/m2·s |
备注 |
|
1 |
PD1-1横向272m |
0.38 |
|
|
2 |
PD1-2 50m |
0.47 |
|
|
3 |
PD1-3 64m |
0.48 |
|
|
4 |
PD1 360m |
2.1 |
检测值最高点 |
|
5 |
PD1 170m（F56断层） |
0.54 |
|
|
6 |
地表 |
0.01 |
对照值 |
对比分析上表氡析出率结果，发现除最高点PD1360m处异常较高外，其余地质探洞测量点的氡析出率基本相似。其值可反映河南天池电站地下洞室群的氡析出率的整体情况。本文在此基础上对隧道内氡气变化进行研究。
3 隧洞施工中排氡措施分析
本文主要研究隧洞在开挖施工过程中作业面氡气的浓度，该阶段隧洞内氡气的来源主要是爆破后开挖范围内岩石孔隙中蕴含的氡在较短时间的释放以及洞渣和隧洞内岩面不断析出的氡。爆破时氡的瞬时释放量与当地的地质情况相关且难以控制，爆破后的洞渣也会不断析出氡，直到除渣完毕，洞渣析出氡的速率与爆破后岩块的破碎情况相关，且在除渣过程中随着洞渣体积的减少会不断变化，此过程氡析出率的变化随机性强较为复杂，暂不考虑，本文主要研究除渣完成后隧道内氡气的变化情况。而在此过程中降低环境中氡可行的途径主要为喷射混凝土抑制岩面的氡析出与通风降低氡浓度。
3.1喷砼降氡
在隧洞开挖爆破后，对暴露的岩石初喷一层薄混凝土封闭岩面，可以减低岩石的氡析出率，覆盖后的析出率与喷混凝土厚度相关，其关系式如公式1。
式中：
J：覆盖混凝土后岩壁氡析出率，kBq/(m2·s)；
J0：未覆盖混凝土时裸露岩壁的氡析出率，kBq/(m2·s)；
δ：覆盖厚度，m；
λ：氡衰变常数,
；
D：氡在介质中扩散系数，混凝土
，本文中取
。
结合实测值与理论计算公式（1），研究不同喷混凝土厚度的过程中相应的氡析出率的变化情况。
图1-1氡析出率与喷砼厚度关系曲线
由图1-1可知岩面氡析出率的衰减随着喷混凝土厚度的增加较缓慢，在本工程实际施工中，考虑到施工成本和进度，初喷混凝土封闭厚度一般不大于0.06m，而在此厚度范围内岩面氡析出率衰减量为5.4%，因此可以认为通过初喷混凝土封闭岩面来减小隧洞内氡气浓度是消耗资源大且效用小的途径，但是当喷混凝土达到一定厚度后岩面氡析出率会出现明显降低，因此当局部区域由于地质原因氡析出率过大时可在该区域采取喷厚混凝土来降氡抑氡。
目前研究表明最有效的除氡手段就是通风，在隧洞施工中为满足除尘排烟要求也会配备通风设施，因此目前通风是隧洞施工中可行及有效的排氡措施，隧洞通风分为送入式与排出式，前者可为工作面及时提供新鲜空气，本工程全部采用送入式通风，本文只研究送入式通风的降氡情况。
本文主要是研究隧洞开挖支护施工期间氡气对作业人员的危害，所以重点研究作业人员施工活动范围内氡气浓度，尽量降低其平均浓度值，以减少对作业人员的健康影响。取离掌子面20m为研究范围，在本工程中根据规范要求开挖进尺到150m左右根据现场情况才会配备通风设备，在开挖过程中为保护风管，防止爆破作业时被损坏，风管口离掌子面20m，此时隧道内裸露围岩的氡析出率基本与探洞检测值一致。根据菲克第一扩散定律，单位时间通过单位法向面积的流量与浓度梯度成正比，可以得到，
式中，
是扩散系数，grad表示梯度，C表示浓度，负号表示由浓度高向浓度低的地方扩散，若不通风时只依靠氡气的扩散降氡是很缓慢的。在通风时其扩散速率与通风量相关，引入排出氡气过程有效系数k以简化计算。
此时根据物质守恒原理，假设在较短时间t内，通风管内的新鲜空气可以均匀扩散如图1-2，则可得出如下状态方程：
式中：
：风机送风时间 单位秒；
：通风n*t秒后作业面内氡气平均浓度 单位Bq/m³，
；
：离掌子面20m范围作业面总体积 单位m³；
：未覆盖混凝土时裸露岩壁的氡析出率， 单位Bq/(m2·s)；
：排出氡气过程有效系数 ；
：离掌子面20m范围作业面岩面总表面积 单位㎡；
：实测洞口地面氡气浓度 单位Bq/m³；
：t秒内送入新鲜空气体积 单位m；
：岩石析出面积扩大系数；
图1-2隧道内氡气扩散示意图
本文对多条隧道进行氡气检测，根据实测数据分析对比选取天池电站通风兼安全洞开挖期间的通风降氡情况进行研究。通风兼安全洞长1028m，宽7.5m，高6.5m，Ⅱ、Ⅲ类围岩时采用全断面开挖。在开挖过程中为保护风管，防止爆破作业时被损坏，风管口离掌子面20m，这样经过风管沿程风力损失后能有效进入掌子面20m范围与原有空气充分混合的有效送风量会明显降低，在本工程通风兼安全洞采用隧道射流风机型号为HSC14-55/4 55KW，额定送风量33m³/s 暂估其有效率为60%则开挖施工作业范围内的有效送风量为19.8m³/s。虽然除渣期间一直采取通风措施但根据现场氡气检测表明氡气浓度仍然较高，取初始氡气浓度为实测隧道空气中氡气浓度较高值400 Bq/m³，最小时间段t=1s，研究不同有效送风量的影响情况。通过公式（3）可得到：
图1-3通风过程氡气浓度变化情况
由图1-3所示，其中四条曲线分别是有效送风量为10m³/s、15m³/s、20m³/s、25m³/s时隧洞作业面内氡气浓度变化情况，当隧道通风时，作业面内氡气浓度前期会迅速下降，下降速率逐渐变小，并趋于稳定，且当每秒氡气浓度下降小于0.01Bq/m³·s，送风量为10m³/s时需要通风时间为1068s，氡气稳定浓度77.9Bq/m³，送风量为15m³/s时需要通风时间为767s，氡气稳定浓度59.9Bq/m³；送风量为20m³/s时需要通风时间为572s，氡气稳定浓度为51.2Bq/m³，送风量为25m³/s时需要通风时间为467s，氡气稳定浓度为45.8 Bq/m³。可以得出，采用送入式通风随着通风时间的增加可以快速降低隧洞内的氡气浓度，但下降到一定值后随着通风时间的增加不再明显下降，会维持一个稳定值。上述四种通风量的曲线对比图表明：随着通风量的增加氡气浓度衰减率会增加，达到浓度稳定值的时间为缩短且达到的稳定浓度值会减小，但是随着通风量的不断增加上述的所有变化率会减小，差异性会降低。
如上述，送入式通风可以快速有效降低隧洞内氡气浓度，若氡气浓度降低到稳定值停止通风，根据公式（2）停止通风后作业面内氡气向外单位时间扩散量
，其中
为开挖面断面面积，经实测在通风达到稳定值后隧洞作业面范围与邻近作业面外范围氡气浓度梯度较小，可取
，将其代入公式（3）可得到
根据实测数据，取系数
，则可得停止通风后隧洞内氡气浓度的变化情况：
图1-4通风过程氡气浓度变化情况
如图1-4所示，当隧洞停止通风后氡气浓度会迅速上升，且会随着浓度的变大上升速率会变小，可以说明虽然送入式通风可以有效降低隧洞内的氡气但是停止通风后氡气浓度会迅速反弹上升，所以当有人员在作业面活动时必须保证一直通风。
3.3实测隧洞氡气浓度变化
本项目采用空气中氡浓度的闪烁瓶测量方法（GB/T 16147-1995）对施工过程中隧洞空气中氡222Rn浓度进行检测。采用测氡仪产地为太阳核子公司规格型号为MODEL1027，测氡仪测量范围：0.1-999pCi/1(3.7-37000Bq/m³；灵敏度：2.5c/ph/pCi/L；精度：±25%或1pCi/L。于2016年7月23日、2016年9月20日、2016年10月7日、2016年11月2日分别对自流排水洞、通风洞、进厂交通洞、3号施工支洞、8号施工支洞5个部位进行空气中氡气检测，5条隧道断面尺寸及风机型号均不相同，检测结果如下：
表3-1 隧洞空气中氡检测结果1（自流排水洞）
|
序号 |
检测项目 |
点位编号 |
检测结果 |
|
|
单位 |
|||
|
2017.7.23 |
2016.9.20 |
2016.10.7 |
2016.11.2 |
2017.3.17 |
2017.6.16 |
||||
|
进尺70m |
进尺70m |
进尺70m |
进尺125m |
进尺380m |
进尺725m |
Bq/m³ |
|||
|
1 |
氡222Rn |
1# |
|
60.5 |
36.9 |
19.8 |
21.3 |
26.4 |
|
|
2# |
|
|
38.6 |
18.3 |
29.6 |
34.0 |
|||
|
3# |
|
|
|
|
33.6 |
40.6 |
|||
|
4# |
|
|
|
|
38.0 |
45.7 |
|||
|
5# |
|
|
|
|
28.9 |
49.3 |
|||
|
6# |
|
|
|
|
47.8 |
61.3 |
|||
|
7# |
|
|
|
|
46.4 |
50.6 |
|||
|
8# |
|
|
|
|
|
49.3 |
|||
|
9# |
|
|
|
|
|
61.3 |
|||
|
10# |
|
|
|
|
|
73.5 |
|||
|
11# |
|
|
|
|
|
87.0 |
|||
|
12# |
|
|
|
|
|
99.5 |
|||
|
13# |
|
|
|
|
|
115.4 |
|||
|
14# |
|
|
|
|
|
132.8 |
|||
表3-2 隧洞隧洞空气中氡检测结果2（通风洞）
|
序号 |
检测项目 |
点位编号 |
检测结果 |
单位 |
||||
|
2016.7.23 |
2016.9.20 |
2016.10.7 |
2016.11.2 |
2017.6.16 |
||||
|
进尺730m |
进尺740m |
进尺756m |
进尺780m |
进尺1000m |
Bq/m³ |
|||
|
2 |
氡222Rn |
1# |
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