山岭隧道施工人员辐射剂量评估方法及应用

徐 华， 唐垠斐， 张 鹏， 李王斌， 陈紫云

(1. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031； 2. 甘孜州交通建设投资有限公司，四川 康定 626000； 3. 四川省交通运输厅交通勘察设计研究院， 四川 成都 610017)

0 引言

目前，我国在建或拟建隧道数量多，且隧道建设朝着长、大、深方向发展。新奥法是利用围岩本身所具有的承载能力，采用毫秒爆破和光面爆破技术进行隧道开挖施工，并以形成复合式内外两层衬砌来修建隧道的洞身，即以混凝土、锚杆、钢筋网、钢支撑等为初期支护形式，最后浇混凝土二次衬砌[1]。隧道相比其他工程来说施工环境更为封闭，施工时粉尘质量浓度较高，氡气及其子体容易积累。施工人员在围岩含有放射性核素的隧道中工作，往往会接受过高的辐射剂量，严重危害身体健康。但是，我国隧道施工环境下辐射影响方面的相关规范或规定无明确标准界定隧道施工人员所受辐射剂量是否合格，难以判断隧道施工阶段是否需要采取相应的防护措施。近几年，来国内外不乏隧道穿越辐射异常地质区的工程实例，例如广福隧道[2]、分水坳隧道[3]、秦岭特长隧道[4]、五道梁隧道[5]等，为了保证施工人员的身体健康，如何评估隧道施工人员辐射剂量是否合格，是否需要采取处理措施是亟需解决的问题。

目前，隧道工程界对隧道施工环境的辐射影响重视程度不高，相关辐射环境评价研究成果较少，采用的评价标准也各不相同。李冠超等[2]通过隧道围岩的放射性核素测试，计算了内外照射指数，并以此为依据对广福隧道辐射环境进行了分析研究。王广才等[6]对某长隧洞进行了γ辐射剂量率测试及空气氡浓度测试，并且分别对这两个测试成果进行了分析，得出了隧道氡浓度超标而γ辐射剂量合格结论。段贵明等[7]对某铁路隧道开展了空气及土壤氡浓度测试、环境γ辐射剂量率测试以及水中总α、β测试等，并分别对各项测试成果进行了分析评价。由于目前隧道辐射环境方面的相关规范缺乏，多数研究者直接对某单一的测试数据进行分析评价，但隧道辐射环境对施工人员的影响是受空气氡浓度、环境γ辐射剂量率等多种因素共同作用的，如果对这些方面进行单项评价，在一些复杂情况下难以明确地判断隧道内部辐射环境是否会对工人产生危害，从而难以及时采取必要的防护措施。

本文以四川省甘孜州摩岗岭隧道为例，结合山岭隧道施工人员辐射剂量的不同来源、不同施工工序及工人工作时间与环境情况，以保证施工人员身体健康不受损害为原则，利用隧道γ辐射剂量率测试、隧道内空气氡浓度测试、隧道粉尘质量浓度测试及围岩放射性核素比活度测试等多项测试手段，并结合以上各项数据，提出1种隧道施工人员年均个人剂量综合计算方法，全面考虑施工人员所受辐射剂量的来源，并选用目前已有的相关指标评估辐射环境对施工人员的影响，为山岭隧道施工人员施工时所受的照射剂量评估提供1套较为合理的方法。

1 隧道施工人员个人剂量评估方法

1.1 评估指标选取及方法流程

隧道施工环境封闭且恶劣，施工人员劳动强度大、时间长，身体健康容易受到损害。以保证施工人员身体健康为原则开展隧道施工阶段辐射环境对施工人员的影响评估，同时参照GB 18871—2002《电离辐射防护与辐射源安全标准》[8]，选择施工人员年均个人照射剂量为主要评估指标。施工人员在隧道施工中所接受的辐射剂量主要来源于γ辐射外照射，吸入氡、氡子体及含有放射性核素的粉尘。按内照射和外照射可将以上3种辐射剂量来源分为2类，外照射部分为环境γ辐射剂量，内照射部分为吸入氡气及粉尘积累于体内产生的照射，如图1所示。

图1 隧道施工人员所受照射剂量来源

在隧道施工阶段辐射环境评估中，可综合利用隧道γ辐射剂量率、空气氡浓度、各工序施工粉尘质量浓度、围岩放射性核素测试的测试结果，估算隧道内部工人的年均个人剂量，根据相关国家规范限值[8]，综合判断工人在隧道施工中是否接受了过高的辐射剂量。

新奥法施工的山岭隧道每个循环主要包括： 钻孔装药、挖机出渣、施作初期支护(超前支护工作包含在此班组内)和掌子面喷浆4个工序，不同工序下的隧道施工人员所处的辐射环境明显不同。因此，应按照不同工序分别开展隧道γ辐射剂量率、空气氡浓度、粉尘质量浓度测试及围岩放射性核素测试。测试时选择环境最为恶劣的掌子面位置开展测试，采取岩样用于测试围岩放射性核素浓度，并且保持正常通风量，使测试环境最接近工人正常的工作环境。测试完成后，开展调查获得不同工序工人的年均工作时间。结合工人年均工作时间计算出各工序工人个人年均照射剂量，并与选择的剂量限值进行对比，从而判定隧道施工过程中是否需要采取专门的辐射处置措施保护施工人员身体健康。评估流程如图2所示。

1.2 施工人员个人剂量计算

隧道施工人员接受的照射剂量主要有γ外照射有效剂量、吸入222Rn 及其子体内照射有效剂量和含放射性岩粉内照射有效剂量，剂量计算公式如式(1)所示。

DZ=E+En[9]。

(1)

式中：DZ为职业照射剂量， mSv；E为γ辐射外照射有效剂量，mSv；En为内照射有效剂量，En=ERn+Eα， mSv。

1.2.1 γ辐射外照射工人年有效剂量

γ辐射外照射工人年有效剂量

E=(Dr-D0)×T×0.7×10-6[10]。

(2)

式中：E为γ辐射外照射工人年有效剂量， mSv/a；Dr为各工序实测γ空气吸收剂量率， nGy/h；D0为隧道外天然源实测γ空气吸收剂量率本底值， nGy/h；T为工作人员年均工作时间， h； 0.7为剂量换算系数， Sv/Gy。

1.2.2 吸入222Rn及其子体所致工人年有效剂量

吸入222Rn及其子体所致工作人员有效剂量当量

ERn=ATCRnFRn[8]。

(3)

式中：ERn为222Rn子体所致的个人有效剂量当量， Sv/a；CRn为空气222Rn活度浓度，Bq/m3；T为工作人员年均工作时间，h；A为转换系数，mSv/(h·Bq/m3)，A=5×2.67×10-4/170=7.85×10-6(其中： 5为有效剂量与工作水平月之间的转换系数，mSv/工作水平月； 2.67×10-4为氡浓度到氡子体α潜能浓度的转换系数，工作水平/(Bq·m3)； 170为工作水平小时到工作水平月的转换系数，h)；FRn为平衡系数，可按根据隧道通风量Q(m3/min)与通风段隧道体积V(m3)之比按表1取值[11]。

图2 评估流程图

Q/V值00.0030.010.030.100.301.00平衡系数FRn1.000.870.660.390.160.060.02

1.2.3 吸入围岩粉尘所致工人年有效剂量

吸入围岩粉尘所致工人年有效剂量

Eα=∑fiRCiK[8]。

(4)

式中：Eα为工作人员吸入放射性核素所致有效剂量，mSv/a；Ci为围岩中第i种放射性核素的活度浓度，Bq/kg；R为工人每年工作期间的空气摄入量，R=1.2 m3/h×T，T为工作人员年均工作时间(h)，按不同工序工人工作时间取值；K为空气粉尘质量浓度，kg/m3，按不同工序实测值取值；fi为对应第i种放射性核素的吸入剂量转换因子，mSv/Bq。

参数选取见表2。

表2 放射性核素吸入剂量转换因子

注： 数据来源于文献[8]中表B3，本表取其中e(g)值的较大值。

根据以上3个部分的计算可以求得隧道各工序工作人员的个人年辐射剂量，利用此数据评估隧道辐射环境是否达标。

1.3 评估指标限值及防护建议

除了国家有关法规和标准所排除的照射以及予以豁免的实践或源所产生的照射以外，工作人员在其工作过程中所受的所有照射均属于职业照射。隧道施工人员在具有一定辐射的环境下进行隧道施工工作，其在工作期间受到的照射均应属于职业照射。

综合参考已有的相关研究成果[9]及GB 18871—2002《电离辐射防护与辐射源安全标准》的规定，如果预计其职业照射剂量为1～5 mSv，则应尽可能进行个人监测； 职业照射剂量可能大于5 mSv的工作人员必须进行个人监测，从辐射防护最优化原则出发，使作业人员尽量避免不必要的附加剂量照射。本文取5 mSv作为隧道作业人员的剂量管理限值[9]。若隧道作业人员按1.2节中公式计算得出的工人年照射剂量低于1 mSv，则无需采取专门的防护措施； 当隧道施工人员计算的年均照射剂量处于1～5 mSv时，需注意加强通风，并酌情选择多个施工工人开展个人监测； 当工人年照射剂量达到5～20 mSv时，必须对每一个参与施工的工人开展个人监测，并且根据个人监测数据开展隧道辐射处置措施； 当工人年照射剂量高于20 mSv时，需开展针对隧道辐射问题的专门研究，并且考虑是否将隧道改线。

2 工程案例分析

2.1 工程概况

摩岗岭隧道位于四川省甘孜州，隧道全长2 160 m，最大埋深578 m，为2车道公路隧道，采用新奥法施工。隧道穿越摩岗岭，洞身段岩性为晚元古界晋宁期侵入的岩浆岩。围岩主要表现为花岗岩，放射性核素含量相对于其他类岩石更高。为了查明隧道辐射环境是否正常，避免施工人员接受过量的辐射，应用本文提出的隧道辐射环境对施工人员的影响评估方法开展施工人员所受年均个人剂量评估。

2.2 测试仪器、方案及结果

测试采用FD-3013B型X-γ辐射剂量率仪测试隧道X-γ空气吸收剂量率，RAD-7 α能谱氡气检测仪测试隧道施工时的空气氡浓度，CCZ-1000直读式测尘仪测试隧道施工粉尘质量浓度，并且采集岩样，利用低本多道γ能谱仪于室内开展隧道围岩放射性核素比活度测试，各项测试均严格按照仪器操作规程及精度要求开展[12]。

由于隧道施工每个循环不同工序施工时间及环境有一定差异，且工人按工序分班组工作，所以不同工序工人所接受的辐射剂量存在一定的差别。根据现场施工班组的安排情况，测试分钻孔装药、挖机出渣、施作初期支护(超前支护工作包含在此班组内)和掌子面喷浆4个工序。每个工序于距离掌子面5 m位置分别测试X-γ空气吸收剂量率、空气氡浓度和粉尘质量浓度3种数据，并采取岩样，用以进行室内放射性核素测试。开展以上测试时，对隧道各工序洞内通风管出风口的风速进行了测量，初期支护时风速为3.518 m/s，喷浆时为6.130 m/s，出渣时为3.082 m/s，钻孔装药时为3.732 m/s，结果见表3和表4。

表3 现场测试结果

表4 围岩放射性核素测试结果

结合现场实测通风管风速，不同工序下隧道空气氡浓度在喷浆时最低，而此时通风风速也相对其他工序更高，由此可以看出空气氡浓度与隧道通风量紧密相关，良好的通风环境能够明显降低隧道内空气氡浓度。而隧道环境γ辐射剂量率在不同工序下变化不大，可见隧道环境γ辐射剂量率受隧道通风率及施工环境影响不大。隧道喷浆作业时，由于喷射砂浆回弹、水泥装卸搅拌扬尘等原因，往往导致隧道内粉尘质量浓度超标。同时，由于爆破导致的部分围岩粉尘仍然残留弥漫于隧道内，且出渣时挖掘机等大型机械在狭窄的隧道内进行挖掘、装载等作业，导致出渣阶段围岩粉尘质量浓度较高，隧道粉尘质量浓度现场测试结果与此实际情况相符。

从各工序来看，隧道各工序中除喷浆工序空气氡浓度较低以外，其余3个工序空气氡浓度接近GBZ 116—2002《地下建筑氡及其子体控制标准》[13]中400 Bq/m3的行动水平，环境γ辐射剂量率略高于天然环境γ辐射剂量率全国人口加权室内平均值[14]。此外，隧道粉尘质量浓度各工序均高于JTG F60—2009《公路隧道施工技术规范》中4 mg的限值[15]。获得各项测试数据后，利用本文推荐的隧道工人年均个人剂量计算方法，综合各项实测参数，以年均个人剂量为指标来判断隧道施工阶段是否需要采取专门的辐射防护措施。

2.3 施工人员个人剂量计算

根据摩岗岭隧道的实际施工情况调查得出各工序施工人员年均工作时间如表5所示。结合已测得的隧道各工序环境γ辐射剂量率值，根据1.2节式(2)，可分别计算出各工序下由围岩γ辐射导致的工人年照射剂量。

工人内照射剂量部分包含吸入222Rn及其子体所致工人年有效剂量和吸入围岩粉尘所致工人年有效剂量。通过摩岗岭隧道开展测试的掌子面距洞口距离L与隧道横断面面积S之积可计算得出通风段隧道体积V，利用隧道实测通风风速Q与V的比值，按表1取值，得摩岗岭隧道平衡系数FRn=0.2，将现场实测各工序空气氡浓度值及工人年均工作时间代入式(3)中，计算得出各工序工人吸入222Rn及其子体所致工人年有效剂量。将现场取样测得的放射性核素比活度值与各工序工人年均工作时间代入式(4)中可得吸入围岩粉尘所致工人年有效剂量。式(2)、(3)、(4)结果之和即为隧道工人年均个人有效剂量，计算结果见表5。

2.4 摩岗岭隧道施工人员个人剂量评估及建议

由隧道工人年均个人剂量计算结果可知： 摩岗岭隧道各工序施工人员年均个人剂量处于0.203～1.13 mSv。其中，出渣、喷浆、钻孔装药工序施工的工人年均个人剂量低于1 mSv，无需采取专门的辐射防护措施，无需开展个人剂量监测，施工可保持目前的通风及施工工法。而初期支护施工人员年均个人剂量处于1～5 mSv，施工期间需选择此工序部分施工人员开展个人监测，并且加强通风降低其个人剂量主要来源(吸入氡及其子体致照射剂量)。

表5隧道工人个人年均有效剂量估算结果

Table 5 Estimation result of tunnel workers′ average individual effective dose per year

工序年均工作时间/h外照射E/mSv内照射EnERn/mSvEα/mSv年均个人剂量DZ/mSv出渣1 4009.8×10-60.8333.95×10-30.837初期支护2 2007.24×10-51.1272.61×10-31.13喷浆1 6004.82×10-50.1994.14×10-30.203钻孔装药1 5005.88×10-50.7353.00×10-30.738

3 总结

目前，我国对于隧道施工人员接受辐射影响的评估方法及相关规范较少且指标限值无统一标准，参考各行业辐射相关评估方法及规范，结合隧道施工环境封闭、工序复杂、工人接受辐射途径多且时间长等特点，通过测试隧道内的环境γ辐射剂量率、空气氡浓度、粉尘质量浓度和围岩放射性核素比活度等指标参数，以工人年均个人剂量为主要评估限值，推荐了一套基于新奥法施工的山岭隧道施工阶段辐射对施工人员影响的评估方法。

该方法不仅全面地考虑了隧道不同工序施工人员接受辐射的时间长短、辐射来源等特点，而且辐射指标的选取符合山岭隧道施工的实际情况，具有一定的适用性。

随着我国隧道施工的大量开展，必将出现更多、更为严重的隧道穿越辐射异常区的工程地质问题。在今后的隧道勘察设计及施工中，应重视隧道辐射影响，合理设计隧道施工方案，及时开展相关测试评估，防止辐射对施工人员及旅客产生危害。

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