天目山隧道掘进粉尘监测与人员急性中毒原因分析

2017-06-13付海陆曾爱斌官宝红

隧道建设(中英文) 2017年5期

耿伟，付海陆，刘伟，庞伟，曾爱斌，官宝红

(1. 中铁隧道集团有限公司杭州公司，浙江杭州 310030； 2. 中国计量大学，浙江杭州 310018；. 杭州万向职业技术学院，浙江杭州 310023； 4. 浙江大学，浙江杭州 310058)

耿伟1，付海陆2,*，刘伟1，庞伟1，曾爱斌3，官宝红4

天目山隧道施工过程中，作业人员出现眼睛红肿及皮肤红肿、脱落等急性中毒症状。为探明急性中毒原因，通过监测隧道内粉尘体积质量变化、分析粉尘化学组分，辨识出引起中毒的有害物质。经检测发现，爆破后以2 274 m3/min的风量通风10 min，作业区的粉尘体积质量可降低至接触限值(1 mg/m3)以下；超前小导管钻孔时，作业区的粉尘体积质量为接触限值的56倍，作业人员会出现显著的急性中毒现象。另外，天目山隧道粉尘中钒、镍、锰和铬的含量以及围岩中砷、铜、铬、镍和钒的含量均较高，特别是急性中毒发生时隧道空气中钒和砷的体积质量最高，作业人员的症状与钒、砷的中毒诊断标准相符。可以判断，隧道作业人员急性中毒主要由以钒和砷为主的粉尘所致。

天目山隧道；急性中毒；粉尘监测；钒；砷

0 引言

天目山隧道为杭州—黄山高铁客运专线的控制性工程，全长12.013 km，地处浙皖交界的天目山山脉西南中低山区，起于浙江省淳安县临歧镇徐家庄村，止于安徽省歙县三阳乡黄坞村，处于以休宁深断裂与马金—乌镇断裂为边界的浙皖陷褶皱断带之鲁村—麻车阜复式向斜的北西翼。

2015年3—7月，天目山隧道(DK213+400～+700)施工期间作业人员多次出现急性中毒症状：眼睛红肿、胀痛以及脖颈处皮肤有灼刺感、瘙痒、脱皮，这一现象在隧道施工过程中鲜有发生。隧道施工环境中有害因素主要包括气态毒物和粉尘，其中前者包括窒息性气体(如一氧化碳和甲烷等)和刺激性气体(如二氧化硫和氮氧化物等)，在通风条件下气态毒物一般不会对人体皮肤产生严重的刺激；隧道施工过程中打钻、爆破、出渣和喷锚等工序会产生大量的粉尘，粉尘体积质量及其化学组分对作业人员身体健康会产生显著的影响。因此，有必要从粉尘体积质量分布规律及其化学物质组成的角度探究急性中毒的原因。

天目山隧道施工过程中采用2 274 m3/min的风量进行压入式通风，满足开挖断面最小风速(0.3 m/s)和内燃机废气稀释要求。孙忠强等[1]研究发现，可将以风管为界的施工区域划分为射流扩张区、射流收缩区、涡流区和回流区4个区域；徐景德等[2]研究了有源巷道中粉尘的运移规律，发现粉尘体积质量在发生源附近衰减较快，巷道下半断面的粉尘体积质量高于上半断面；WANG等[3]和Vega等[4]通过实测和模拟表明，风速、粉尘粒径、作业区形态是影响粉尘扩散的主要因素。由于隧道施工环境复杂，单纯的模拟难以真实反应出隧道内粉尘体积质量的分布，因此需要在施工现场实测粉尘的体积质量。

生产性粉尘对人体的健康危害多集中于呼吸系统和皮肤，主要表现为尘肺病和职业性皮肤病[5]。刘尚军等[6]和Sisodia等[7]经研究发现，粉尘中的金属元素可同时引起皮肤过敏和黏膜刺激等症状；林杰等[8]报道了暴露在含钒粉尘中作业工人出现的结膜炎和皮炎症状。综上所述，已有的研究多集中于隧道施工粉尘体积质量的监测和模拟以及尘肺病的诱发状况，对隧道施工过程中类似急性中毒的现象研究较少。通过对比同时施工的天目山隧道和相邻的查坑隧道，研究隧道施工过程中粉尘体积质量及粉尘组分，解析引起作业人员急性中毒的物质，结合隧道围岩组分确认了有毒物质，为提出针对性的防护措施提供了依据，从而保证施工的顺利进行。

1 粉尘体积质量监测结果及分析

采用颗粒物自动采样器和滤膜称重法[9]对爆破后0～30 min隧道内掌子面、仰拱和二次衬砌3处典型的作业区进行了自然扩散和通风扩散条件下粉尘的体积质量测定；同时测定了爆破通风扩散施工时各作业班次(打钻班、立拱班、出渣班、喷浆班、仰拱班和二次衬砌班)的粉尘体积质量和背景粉尘体积质量值。

1.1 天目山隧道粉尘体积质量变化

1.1.1 粉尘体积质量的时变特征

天目山隧道粉尘中游离SiO2的平均含量为40.3%，GBZ 2.1—2007《工作场所有害因素职业接触限值(第1部分：化学有害因素)》[10]规定隧道施工过程中粉尘容许接触体积质量限值不应超过1 mg/m3。

隧道爆破施工后监测了0～10 min、10～20 min和20～30 min 3个时段的平均粉尘体积质量，在掌子面、仰拱处和二次衬砌处粉尘体积质量的时变特征如图1所示。爆破后，随着时间的增加，粉尘体积质量呈降低趋势。

(a) 掌子面处

(b) 仰拱处

图1 天目山隧道爆破后掌子面、仰拱处和二次衬砌处粉尘体积质量时变特征

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

自然扩散条件下，掌子面处0～10 min的平均粉尘体积质量为63.71 mg/m3，20～30 min的平均粉尘体积质量为30.78 mg/m3；仰拱处0～10 min的平均粉尘体积质量为93.30 mg/m3，20～30 min的平均粉尘体积质量为43.51 mg/m3。掌子面和仰拱处的粉尘体积质量在30 min内均下降了约50%，但仍远高于职业接触限值1 mg/m3。二次衬砌处的粉尘体积质量从3.57 mg/m3(0～10 min的均值)降到0.32 mg/m3(20～30 min的均值)，低于职业接触限值。通过对比不同作业区的粉尘体积质量可知，自然扩散条件下，仰拱处粉尘体积质量最高(30 min内均值为75.94 mg/m3)、掌子面处次之(30 min内均值为46.58 mg/m3)、二次衬砌处最低(30 min内均值为1.52 mg/m3)。原因主要为仰拱处的空间处于半封闭状态，粉尘不易向外扩散从而导致其体积质量最高；二次衬砌处的粉尘主要从台车中间的通道中扩散出洞口，不易向顶部操作台面扩散，因此粉尘体积质量最低。

通风扩散条件下，从掌子面、仰拱处到二次衬砌处，30 min内的粉尘体积质量均值依次降低，分别为10.75 mg/m3、6.98 mg/m3和5.54 mg/m3。与自然扩散条件下的粉尘体积质量相比，仰拱处的粉尘体积质量显著降低，而二次衬砌处的粉尘体积质量反而显著增高，原因主要是通风加剧了空气紊流，纵向扩散能力增强。由图1可知，爆破后通风30 min，掌子面、仰拱和二次衬砌处的粉尘体积质量均可以降到职业接触限值以下。

1.1.2 不同作业班次的粉尘体积质量变化特征

通风条件下，隧道施工过程中各个作业班次的粉尘体积质量和背景粉尘体积质量值如图 2所示。喷浆班粉尘体积质量最高，为44.59 mg/m3，主要原因是在拌浆和喷浆过程中大量的混凝土物料飞溅；立拱班的粉尘体积质量为2.28 mg/m3，可能的原因是在立拱架过程中需要对围岩表面进行翻刨平整，导致粉尘重新漂浮；打钻班粉尘体积质量为1.50 mg/m3，超出职业接触限值；其他作业班的粉尘体积质量和背景体积质量值基本满足职业接触限值的要求。

图2 天目山隧道施工过程中各作业班次的粉尘体积质量和背景粉尘体积质量值

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

1.2 查坑隧道的粉尘体积质量

选取未发生作业人员急性中毒症状的查坑隧道为对比隧道。查坑隧道爆破作业后在自然扩散条件下掌子面的粉尘体积质量平均值见图3。查坑隧道爆破作业后10 min内的粉尘体积质量平均值达到178.81 mg/m3，是天目山隧道粉尘体积质量的2.8倍；自然扩散30 min查坑隧道的粉尘体积质量平均值为99.91 mg/m3，是天目山隧道的2.1倍。查坑隧道粉尘体积质量高的原因是该隧道围岩为Ⅲ级围岩，采用全断面爆破施工，炸药用量大，爆破后粉尘体积质量相应也高。

图3 掌子面自然扩散10 min和30 min后的平均粉尘体积质量

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

1.3 超前小导管钻孔作业环境粉尘监测

2015年8月23日13:10进行掌子面超前小导管干式钻孔，里程为DK213+685，掌子面风速比较大、粉尘体积质量较小，仰拱处和洞口处粉尘体积质量较大。2015年8月24日晚上，立拱班在仰拱处(里程： DK213+696)施工3～4 h、立3～4榀拱架下班后，出现了偶有咳嗽、眼睛微红但无明显刺痛感的症状。2015年8月25日早晨，立拱班11人均出现了眼睛睁不开、流泪、畏光、有刺痛感且有轻重不同的眼睛结膜充血但无明显咳嗽、胸闷等现象，皮肤暂无问题。

随后对空气中的二氧化硫、氮氧化物、氨气、硫化氢、一氧化碳和臭氧等进行了测定，发现在通风条件下气态有害因子的体积质量均低于职业接触限值。

超前小导管施工过程中粉尘体积质量监测结果如图4所示。由图4可知，干式钻孔过程中，仰拱处的粉尘体积质量为56.04 mg/m3，远远高于未打钻时的粉尘体积质量；湿式钻孔过程中，仰拱处的粉尘体积质量为4.88 mg/m3，说明采用湿式钻孔可以显著降低仰拱处的粉尘体积质量。隧道进口处(里程：DK213+797)的粉尘体积质量为6.7 mg/m3，远远高于背景粉尘体积质量值0.27 mg/m3，这是由于粉尘在从掌子面向洞口扩散的过程中受到沿程阻力，在洞口的扩散速度减缓，扩散效果变差。

在超前小导管干式钻孔作业前和湿式钻孔作业后，作业人员眼睛均未出现如此显著刺激的症状，说明高体积质量粉尘是导致作业人员出现急性中毒症状的主要原因。

图4 超前小导管钻孔过程中仰拱和隧道进口处的粉尘体积质量

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

2 粉尘有害组分解析与中毒机制探讨

2.1 粉尘有害组分解析

根据职业中毒诊断标准[11-12]，可将作业人员的症状初步判断为职业性化学性眼部和皮肤灼伤，主要刺激性物质可能是酸、碱、金属氧化物和盐类。结合职业性急性化学物的中毒诊断标准，筛选出砷、铜、铬、锰、镍和钒6种可疑的化学物质。在天目山隧道和查坑隧道施工过程中，粉尘中6种有害元素的含量如图5所示。天目山隧道粉尘中有害元素含量(均值)从高到低依次是：钒、镍、锰、铬、砷、铜，所有元素含量均大于0.01%；查坑隧道粉尘中有害元素的含量(均值)从高到低依次是：铜、砷、锰、铬、钒、镍，其中铜、砷和锰的含量均大于0.01%，其他各元素的含量均小于0.01%。

(a) 砷(As) (b) 铬(Cr)

(e) 镍(Ni) (f) 钒(V)

虚线代表平均值。

图5 粉尘中有害元素含量

Fig. 5 Hazardous element contents in dust

天目山隧道粉尘中钒、镍、锰和铬4种元素的含量(均值)较查坑隧道高，其中钒、镍的含量分别为查坑隧道的13.4倍和12.0倍；查坑隧道粉尘中砷和铜的含量较高，分为天目山隧道的1.4倍和1.2倍。天目山隧道粉尘样品中钒的含量最高，个别样品含量达到1 379.81 mg/kg，均值为764.80 mg/kg；查坑隧道粉尘样品中铜含量最高，个别样品含量达到644.96 mg/kg，均值为355.41 mg/kg。天目山隧道粉尘样品中铜的含量最小，个别样品含量达到134.36 mg/kg ，均值为66.14 mg/kg；查坑隧道粉尘样品中镍的含量最小，个别样品含量达到83.69 mg/kg，均值为34.16 mg/kg。总体看来，天目山隧道粉尘含量的特点是金属元素含量高，且钒的含量与查坑隧道差异显著。

选择1组出现急性中毒症状时的粉尘体积质量监测数据，将其换算为空气有害元素的体积质量，空气中有害元素的体积质量与接触限值见表1。所有金属元素的体积质量均未超过接触限值，但是钒的体积质量高达34.97 μg/m3，为职业接触限值的0.70倍；砷的体积质量达到6.41 μg/m3，为职业接触限值的0.64倍。从对人体健康的影响程度上来看，钒和砷对人体的健康影响最为显著。

表1 空气中有害元素的体积质量与接触限值

Table 1 Hazardous element concentrations in air and exposure thresholds

有害元素实测值/(μg/m3)接触限值/(μg/m3)实测值/接触限值砷6.41100.64铬9.40500.19铜7.0210000.0070锰(按MnO2计)25.961500.17镍5.7310000.0057钒34.97500.70

2.2 中毒机制探讨

短时间接触大量砷及其化合物后会出现头晕、头痛、或伴有咳嗽、胸闷、眼结膜充血等黏膜刺激性症状[15]。砷性皮炎也可在皮肤接触砷24 h或更短时间内发生，暴露部位出现红斑和红色栗状丘疹，多密集成片，患部灼热、瘙痒或刺痛[16]，然后出现糠秕样脱屑，产生色素沉着，这些症状多出现在裸露和褶皱的皮肤处[17]。从作业人员的症状来看，皮肤瘙痒、灼热和刺痛感出现在裸露的脖颈皮肤上，并出现了糠秕样脱皮，未出现色素沉着，皮肤呈现棕褐色或黑色斑块。

粉尘引起裸露皮肤急性刺激的作用机制如图6所示。具体分析如下： 1)由于作业温度高、劳动强度大，作业人员皮肤表面覆盖汗液，呈弱酸性(pH为4.5～5.5)，同时有岩层渗水滴落在作业人员的皮肤上； 2)粉尘由于扩散作用散落在皮肤表面，在润湿的皮肤表面粘附、沉积，其在水中的浸出液呈现强碱性(pH=10.34)； 3)由于钒和砷的氧化物为两性氧化物，在酸性和碱性溶液中均易于溶出，2者的化合物通过毛孔和汗腺等到达皮肤内部，引起皮肤强烈刺激。

图6 粉尘引起皮肤急性刺激的作用机制

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

3 人员中毒的地质原因分析

粉尘的组分主要来源于地质和岩层，有必要从地质角度进一步分析人员急性中毒的原因。天目山隧道出口纵断面如图7所示，开挖区域段隧址区出露的地层岩性表层主要为Qel+dl粉质黏土、粗角砾土，灰黄色，厚度为1.0～13.4 m；下伏基岩为寒武系下统荷塘组硅质泥、碳质泥岩，层状构造，灰黑色，全-弱风化；围岩等级属于Ⅴ级围岩，稳定性差，有裂隙水渗出。钱建民等[18]研究发现该地荷塘组黑色岩系金属元素富集较多，其中砷属于富集程度高的元素，钒和铜属于较富集的元素，镍属于弱富集的元素，具有寻找钒和有色金属矿的能力；刘闯等[19]发现该地毗邻宁国—绩溪锰矿带，具有较为丰富的锰资源。综上所述，可以判断出隧道围岩中具有较高的金属含量。

图7 天目山隧道出口纵断面图(单位： m)

对天目山隧道3批岩石和查坑隧道2批岩石所含元素的组分进行了分析，砷、铜、铬、锰、镍和钒的具体含量见图8。

由图8可知，天目山隧道围岩中，元素含量由高到低依次为：锰、铬、钒、铜、镍和砷，其中，锰和铬的含量(均值)百分比均大于0.1%，砷的含量百分比小于0.01%；查坑隧道围岩中元素含量由高到低依次为：锰、铬、铜、镍、砷和钒，其中，锰和铬的含量百分比(均值)均大于0.1%，镍、砷和钒的含量小于0.01%。

天目山隧道围岩中砷、铜、铬、镍和钒的含量均大于查坑隧道围岩中对应的含量，其中砷和铜分别是查坑隧道的3.30倍和2.91倍；天目山隧道围岩中钒的含量为676 mg/kg，而在查坑隧道围岩中未检出钒；查坑隧道围岩中锰的含量高于天目山隧道，为天目山隧道锰含量的1.04倍。总体上看，天目山隧道围岩中金属含量较高，为粉尘中的高金属元素含量提供了支撑。

(a) 砷(As) (b) 铬(Cr)

(e) 镍(Ni) (f) 钒(V)

图8 天目山隧道和查坑隧道围岩中有害元素含量

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

4 结论与建议

1)爆破后自然扩散条件下，粉尘体积质量由高到低分布规律为：仰拱处>掌子面>二次衬砌处，仰拱处的半封闭结构阻碍了粉尘扩散而使该处的体积质量最高；爆破后通风扩散10 min后，仰拱、掌子面和二次衬砌3处的粉尘体积质量均低于接触限值。

2)在通风条件下喷浆、立拱和打钻作业区的粉尘体积质量依然高于接触限值，说明急性中毒症状的发生与高粉尘体积质量有关。

3)查坑隧道作业区的粉尘体积质量显著高于天目山隧道，但是并未发生作业人员急性中毒的症状。天目山隧道围岩中的砷、铜、铬、镍和钒的含量均高于查坑隧道，说明急性中毒症状的发生与金属元素含量有关。

整体来看，天目山隧道作业人员中毒主要是由以砷和钒为主导的粉尘引起的，但具体由哪种因子引起的尚难以解决。有关中毒机制的研究主要根据已有的职业中毒文献报道结合隧道环境状况推导出来的，建议今后其他类似的研究能够增加毒理性实验以进一步精准辨识致病因子。

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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

耿伟(1972—)，男，浙江杭州人，1994年毕业于西南交通大学，铁路工程专业，本科，高级工程师，主要从事隧道及地下工程施工管理工作。E-mail: gengweigengwei@126.com。*通讯作者：付海陆， E-mail: hlfu@cjlu.edu.cn。

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

U 456.3+3

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