粤北某隧道工程辐射环境预测及评价研究

朱乐杰， 关念云， 马立奎， 罗媛媛

(1.核工业二九〇研究所，广东省环境保护研究重点实验室，广东 韶关 512026；2.韶关市环境监测中心站，广东 韶关 512026)

粤北某隧道工程辐射环境预测及评价研究

朱乐杰1， 关念云2， 马立奎1， 罗媛媛1

(1.核工业二九〇研究所，广东省环境保护研究重点实验室，广东 韶关 512026；2.韶关市环境监测中心站，广东 韶关 512026)

辐射环境影响评价是环境评价的重要组成部分。针对隧道工程建设的特点，以粤北某隧道工程为例，对其辐射环境预测及其影响评价进行研究，构建辐射环境预测模型，重点预测隧道内γ辐射剂量率、隧道内氡释放量，并利用空气模型对空气氡扩散进行估算。通过辐射照射剂量估算，探讨隧道工程对周围公众及施工人员辐射照射影响。特别是在铀矿资源丰富的粤北地区修建隧道工程时，更有针对性地加强辐射环境管理，最大限度地减少周围环境以及施工人员的辐射影响。

环境；隧道；辐射；预测；评价

朱乐杰，关念云，马立奎,等.2017. 粤北某隧道工程辐射环境预测及评价研究[J].东华理工大学学报：自然科学版，40(3)：261-266.

Zhu Le-jie, Guan Nian-yun, Ma Li-kui，et al.2017. Radiation environment forecast and assessment for a northern Guangdong Tunnel project [J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 40(3):261-266.

在粤北山区、阳江地区等高辐射环境本底地区，民用工程的辐射环境问题越来越受到重视。在隧道工程中，产生的γ射线与空气氡会对施工人员造成辐射影响，并且经由通风管道排往大气；废渣石也可能析出氡气逸散环境，如遇到放射性核素含量较高的岩体，还会造成环境γ辐射水平升高；隧道施工废水处置不当也可能对外界局部环境造成影响。

目前，国内文献及相关资料在隧道工程施工前对其进行辐射环境的预测及评价研究较少(陈越等, 2011；邱国华，2009，2008；李旭彤等，2002)，以类比和施工监测为主，不成体系。本文通过构建隧道工程辐射环境预测模型，研究其对周围环境及施工人员的辐射影响。

1 隧道工程辐射环境预测及评价

以粤北某隧道为例，结合隧道工程辐射环境现状调查及环境关注点，构建辐射环境预测模型，重点预测隧道内γ辐射剂量率、隧道内氡释放量，探讨隧道工程对周围环境及施工人员的辐射影响。

1.1 隧道内γ辐射水平

隧道工程施工过程中，将产生γ射线对人体造成外照射危害。隧道内γ辐射剂量率由式1计算(李德平，1990)：

Da=1.40×105CUnGy/h

(1)

式中，Da为隧道内γ辐射剂量率(nGy/h)；CU为岩石(土)中铀含量(%)。

不同铀含量地质体隧道中γ辐射剂量率估算值见表1。根据现状分析，取岩石(土)样品分析结果中铀含量最高值参与计算。隧道掘进中γ辐射剂量率估算值在280 nGy/h之内，属于铀矿床二级表外矿体以下的地质体。但是，铀矿床的分布及矿化是极不均匀的，仍有可能遇到γ辐射剂量率较高区段。

表1 不同含铀地质体隧道中γ辐射剂量率估算表

备注：0.002%为本研究取样分析铀含量最高值，0.03%为边界品位，0.05%为工业品位。

1.2 隧道内氡释放量

在隧道掘进过程中，隧道内氡的主要来源有：①隧道的岩体及矿体；②破碎介质(岩石爆堆、崩落区等)；③矿井水。坑道释放的氡气由式2～5估算。

(1)隧道岩体及矿体释放氡(QM)。隧道岩体及矿体释放氡估算方法有两种：一种根据已建同类型铀含量的坑道排风断面监测结果进行类比估算，另一种由隧道掘进面挖空区面积及铀含量进行估算。本研究采用第二种方法进行估算。隧道岩体及矿体释放的氡由式2估算。

QM=S·δS

(2)

式中，QM为隧道岩体及矿体氡释放量(Bq/s)；S为挖空区岩体表面积(m2)；δS为单位面积上的氡析出率(Bq/m2s)。

一般的矿层可用半无限延伸矿层来近似计算，用式3估算(张哲， 1982)。

δS=2.59ρ·CU·Kp·Se·(D/λη)1/2

(3)

式中，δS为单位面积上的氡析出率(Bq/m2s)；ρ为岩石密度(g/cm3)，取2.64；Kp为矿石中铀镭平衡系数，取1；Se为射气系数，取0.3；D为矿石中氡的扩散系数(cm2/s)，取4.5×10-2cm2/s；λ为氡的衰变常数(2.1×10-6/s)；η为矿石的孔隙度，取0.01；CU为岩石(土)中铀含量(%)。

依据隧道设计资料，隧道净高5.0 m，净宽14.25 m，隧道长为475 m，估算断面面积71.25 m2，周长38.5 m。考虑掘进中应留出衬砌空间，对周长和面积各增加10 %，因此实际取断面面积78.38 m2，周长42.35 m。对隧道不同掘进面时岩体及矿体氡析出量估算见表2。

表2 隧道不同掘进面时岩体及矿体氡析出量估算结果

表2估算是在掘进中岩体不进行任何衬砌的情况下进行的，其释放量较大。若掘进过程中及时对出露岩体进行衬砌和通风，岩体直接析出氡的量将降低。

(2)松散矿岩堆的氡析出量(QP)。隧道掘进中松散矿岩堆的氡析出量是根据掘进面松散的渣石在隧道内的储存、转运期间的总量来计算的，由式4估算。

QP=7.1×10-9×3.7×1010MP·CU·KP·Se·K衰变

(4)

式中，QP为松散矿岩堆的氡析出量(Bq/s)；MP为掘进场及转运场矿岩堆积量(t)；CU为松散矿岩堆中的铀含量(%)；KP为矿石中铀镭平衡系数，取1；Se为射气系数，取0.3；K衰变为氡从岩块析出时的衰变系数，取0.5。

假设掘进面破碎岩石从掘进—运出隧道口的周转量为50 t，因不同隧道掘进面周转时间长度不一样，计算中加入了时间权重。隧道掘进面松散矿岩堆的氡析出量估算值见表3。

表3 掘进中松散矿岩堆的氡析出量估算值

(3)隧道涌出水氡析出量(QB)。铀矿床量为地下水的含氡185～11 100 Bq/L。地下水流出地面并暴露于大气中后，由于空气中氡的分压比岩石裂隙中低得多，水中溶的氡急速析出，表现为水中氡浓度的迅速降低。在流动距离为173 m时，从水中析出的氡达99.87 %。假设在施工中的隧道涌水氡浓度为50 Bq/L，水流出岩石裂隙距离≥200 m，水中氡浓度更低可视为氡全部析出，则涌水(1 m3/h)引起的氡析出量为14 Bq/s。

(4)隧道内氡析出总量(Q总)。 隧道内氡的析出总量为以上三项之和。

Q总=QM+QP+QB

(5)

取隧道掘进面岩体及松散岩体堆铀品位为0.002 %时所计算的氡释放量和水量为1 m3/h的涌水量为代表值，对隧道掘进中隧道氡的总量计算见表4。

表4 隧道氡排放总量

隧道掘进中400 m未进行任何衬砌向环境释放的氡量为1.02×105Bq/s。其中岩体暴露面积比较大，为释放氡的主要途径。隧道施工中应加强这方面监测和监督，特别是及时进行衬砌和通风，进行有针对性的降氡。

1.3 空气氡扩散模型估算

1.3.1 估算模式

(1)估算项目。主要为隧道开挖期间析出空气氡扩散对周围环境的影响。

(2)评价估算模式。采用《环境影响评价技术导则——大气环境》(HJ2.2—2008)附录A中推荐估算模式进行估算。计算时把隧道口作为点源排放口，采用估算模式中的点源模式进行计算。

1.3.2 预测条件及参数设定

(1)源项：见表4。

(2)隧道排风口周围人口与子区划分。评价范围选定为500 m，隧道进出口附近分布居民点，居民(楼下村)离某隧道口距离约400 m，受影响人数约200人。

(3)参数设定。以隧道的净高5.0 m作为排气筒的高度，以隧道口的等效内径10 m作为排气筒的内径，隧道口排风量以2.16 m3/s计(130 m3/min)，隧道口的温度以25 ℃。由于隧道处于山区农村地区，周围山峰林立，故在预测时候选择复杂地形进行预测，气象资料参考当地气象部门发布的权威数据。

1.3.3 隧道排风所致居民区氡气浓度

依据上述预测条件及参数，隧道附近的楼下村为本次评价重点。隧道排风析出氡浓度计算结果见表5，在距隧道口400 m的距离处(即楼下村所在位置)氡浓度出现了最高值。

表5 隧道不同掘进距离的氡浓度贡献值

*注：以上计算中铀含量采用地表放射性水平偏高区岩石样分析值：0.002 %

2 辐射剂量预测及评价

2.1 周围公众所受剂量

2.1.1 剂量估算模型

根据《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB18871—2002)和《电离辐射源与效应》(联合国原子能辐射委员会2002年报告)，总有效剂量估算公式为：

(6)

(7)

表6 氡子体吸入剂量转换因子

表7 评价区居民的居留因子

2.1.2 隧道通风排氡所致公众剂量

根据估算模型计算氡浓度贡献值，楼下村居民的所受氡子体辐射剂量见表8。

表8 隧道排风导致居民吸入氡子体所受个人剂量

由结果可以看出，如果隧道开挖过程中有400 m未进行初衬，那么少年组因隧道施工排风吸入氡子体所受的个人剂量最大为0.15 mSv/a，满足公众照射剂量约束限值0.3 mSv/a。只要把未初衬的长度缩短到100 m，那么幼儿组、少年组、成年组因隧道施工排风吸入氡子体所受的个人剂量就低于0.05 mSv/a。可见，对新开挖的隧道进行及时初衬能够很大程度降低周围公众所受的辐射。

因此，隧道开挖过程中，最近村庄居民的辐射剂量满足公众照射剂量管理目标限值0.3 mSv/a的要求。根据《公路隧道施工技术规范》(JTG F60—2009)要求，隧道衬砌施工能屏蔽部分辐射，故周围公众所受的剂量将降的更低。

2.1.3 隧道施工对周围居民的其它辐射影响

隧道施工对周围公众的其他辐射影响主要为：隧道渣石在地表堆放析出氡，公众成员在异常渣石的停留所受到的外照射，以及隧道涌水造成的放射性污染。这些均可以判定为短期的。一般地，隧道施工结束，污染物停止排放，随之对公众的影响消失。因此不考虑长期影响。

隧道掘进可能会有裂隙水涌出，应根据施工进度对外排涌水中放射性指标进行跟踪监测，确保外排水达标。本次不考虑隧道排水引起的公众食入性放射性污染，只考虑隧道口排氡对公众的影响。

2.2 施工工人所受剂量

(1)隧道施工人员吸入含氡空气的剂量估算。施工人员吸入氡剂量按式8计算。

D1=0.4CRng·T

(8)

式中，D1为吸入氡剂量(Sv)；0.4为氡与氡子体的平衡比；CRn为隧道氡浓度；g为吸入氡剂量转换因子(g=1.4×10-8Sv/(h·Bq/m3))；T为工作时间(年工作时间取1 000 h)。

(2)隧道施工人员受γ外照的剂量估算。隧道施工人员受γ外照的剂量按式9进行计算。

D2=0.7 TH

(9)

式中，D2为受外照的剂量(Sv)；H为γ外照射剂量率(Gy/h)；T为工作时间(年工作时间取1 000 h)。

(3)隧道施工人员辐射剂量估算结果

隧道γ辐射剂量率见表1，从保守的角度，按隧道内可能的最大γ辐射剂量率值(280 nGy/h)计算。隧道施工现场空气中氡浓度应控制在400 Bq/m3以内(张哲,1982)。从保守的角度，按空气氡浓度的最大限值400 Bq/m3计算。

根据式8与式9，隧道施工人员辐射剂量估算结果见表9，假设隧道施工人员在隧道内施工按保守值1 000 h/a，所受的全身有效剂量为2.43 mSv/a；其中吸入氡为2.24 mSv/a；γ外照射剂量为0.19 mSv/a。

表9 隧道施工人员辐射剂量估算结果

从预测结果可以看出，施工人员所受剂量未超过5 mSv/a的管理目标值，但是，在进行该段隧道施工中，为了减少工人的内、外照射，要注意施工人员的个人防护，同时注意通风降氡，降低施工人员的受照射剂量。

由于铀矿地质隧道的实践剂量估算结果表明，相对氡及其子体所致辐射照射剂量，粉尘影响较小，因此没有进行作业场中的粉尘吸入剂量估算。但是，隧道粉尘的控制仍应列入工作场所的基本要求。

3 结论

(1)目前，国内文献及相关资料在隧道工程施工前对其进行辐射环境的预测及评价研究较少，多以类比和施工监测为主。本文通过查阅相关资料，构建隧道工程辐射环境预测模型：通过隧道内岩石(土)中铀含量分析，估算隧道内γ辐射剂量率；通过分别计算隧道掘进过程中岩体及矿体、松散矿岩堆、矿井水等介质中释放的氡总量，利用《环境影响评价技术导则——大气环境》(HJ2.2—2008)附录A中推荐估算模式，估算周围环境的氡排放贡献值；并利用其预测数据，对周围居民及施工人员的照射剂量及辐射影响进行估算与评价。

(2)根据放射性调查数据，依据本文中所列辐射环境预测模型，所提及的粤北某隧道辐射环境，隧道掘进中γ辐射剂量率在280 nGy/h之内，隧道掘进中400 m未进行任何衬砌向环境释放的氡量为1.02×105Bq/s，在距隧道口400 m的距离处氡排放贡献值为2.69 Bq/m3。

(3)隧道开挖过程中，预测隧道附近村庄居民的辐射剂量满足公众照射剂量管理目标限值0.3 mSv/a的要求。考虑到本次评价时采用了不利条件进行估算，并且隧道衬砌施工能屏蔽部分辐射，因此，实际吸入氡子体所受的个人剂量值将小于预测值，故周围公众所受的剂量将降的更低。

(4)从预测结果可以看出，施工人员所受剂量未超过5 mSv/a的管理目标值。但是，在进行该段隧道施工中，为了减少工人的内、外照射，要注意施工人员的个人防护。要降低施工人员的受照射剂量，通风降氡应该放在首位。

针对放射性环境特点，以本研究为基础，进一步完善辐射环境预测模型，在模型设计及计算中考虑放射性气体衰变系数，以及衰变子体照射等特点，使其更适用于含铀地质隧道、铀矿山矿坑口(及排风口)的辐射环境预测及影响评价工作。

陈越, 刘庆成, 邓居智, 等. 2011. 高速公路辐射环境评价研究[J]. 东华理工大学学报：自然科学版，34(2): 165-167.

李德平. 1990. 辐射防护手册(第三分册)[M]. 北京:原子能出版社:27-28.

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联合国原子辐射效应科学委员会. 1996. 电离辐射源与效应[M]. 北京:原子能出版社:114-116.

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邱国华. 2009. 广东省某高速公路工程放射性环境影响评价[J]. 铀矿地质，25(4):245-252.

张哲. 1982. 氡的析出与排风通风[M]. 北京:原子能出版社:78-82.

RadiationEnvironmentForecastandAssessmentforANorthernGuangdongTunnelProject

ZHU Le-jie1, GUAN Nian-yun2, MA Li-kui1, LUO Yuan-yuan1

(1. Reaearch Institute No.290, Key Laboratory on Environmental Protection of Guangdong Province , Shaoguan GD 512026, China; 2. Shaoguan Environmental Monitoring Central Station, Shaoguan GD 512026, China)

Radiation environment impact assessment is an important part of the environment assessment. According to the characteristics of tunnel construction, taking a tunnel project of the Northern Guangdong as an example, the radiation environment forecast and its impact assessment were studied, building the radiation environment prediction model, predicting the γ radiation dose rate of the tunnel and the amount of radon in the tunnel, estimating the diffusion of radon in air by air model, discussing the influence of the tunnel project on the radiation exposure of the surrounding public and construction workers basing on the estimated radiation dose. The radiation environment management could be strengthened. The additional radiation dose of environment and construction workers could be minimized, especially in the uranium-rich Northern Guangdong.

environment; tunnel; radiation; forecast; assessment

P631.6，X837

A

1674-3504(2017)03-0261-06

2016-12-07

朱乐杰(1985—)，男，硕士研究生，工程师，从事环境监测、评价与研究。E-mail：229015878@qq.com

10.3969/j.issn.1674-3504.2017.03.007