圭嘎拉高海拔隧道施工人员体力劳动强度评价

郑 鑫， 郭 春, *， 王 欣， 王帅帅

(1. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室, 四川 成都 610031； 3. 中交第二公路工程局有限公司， 陕西 西安 710065)

0 引言

我国自2000年出台西部大开发政策以来，一直将西部交通基础设施建设视为重点。2018年10月，中央财经委员会召开会议，研究川藏铁路规划建设问题，川藏铁路规划总长1 700 km，沿线平均海拔4 000 m左右，桥隧占比在80%以上，隧道工程将迎来新一轮发展。同时，由于川藏铁路沿线海拔较高，加上本身半封闭的特点，隧道工程建设也将面临严重的缺氧问题。在低压、低氧的环境下，从事体力劳动可能加重机体缺氧程度及生理负荷，导致人员的劳动能力下降[1-5]，过重体力劳动导致机体细胞严重缺氧可能诱发高原脑水肿[6]、高原肺水肿和高原心脏病[7]。因此，有必要评价高海拔隧道施工人员体力劳动强度，为隧道施工组织提供依据。

吴秋军等[8]通过资料调研及理论计算，得到人体劳动的平均能量代谢率海拔修正系数，并进行不同海拔下隧道关键施工工序劳动强度划分。张尧等[9]通过实测，从生理指标变化及劳动强度指数方面评价不同海拔下电力运行维护工人的劳动强度。沈维春等[10]通过实测，计算得到不同海拔下西藏电网工人的劳动能量消耗及时间消耗，并结合能量消耗及时间消耗统计分析，得到各海拔高度对应的劳动降效指标。综上，目前研究均基于肺通气量计算能量代谢率，未考虑所使用公式在高海拔地区的适用性，而且缺乏对隧道这种特殊作业环境下的劳动强度测试，对于劳动强度评价的指标单一。

本文依托圭嘎拉隧道进口段(海拔4 300 m)及1#斜井段(海拔4 560 m)的现场实测，基于耗氧量计算能量代谢率，从心肺功能指标及劳动指数2方面评价主要工序的劳动强度，以期为高海拔隧道施工劳动保护及作业制度的制定提供依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

隧道进口段选取的测试工序为掌子面钻炮眼、掌子面喷浆、二次衬砌钢筋绑扎、二次衬砌防水布铺设、二次衬砌浇筑，1#斜井段选取的测试工序为掌子面钻炮眼、掌子面喷浆、二次衬砌防水布铺设、二次衬砌浇筑。每个测试工序挑选5名工人作为测试对象，所选测试对象均为身体健康、年龄在30～50岁的汉族男性。测试对象高原暴露时间为0.5～1.5年，且睡眠、饮食、劳动均无显著障碍，确定测试对象均已达到习服。

1.2 研究方法

1.2.1 生理指标测试

1)选择能够反映人员劳动能力变化的生理指标作为测试指标，主要有心率、血氧饱和度、肺通气量、耗氧量。

2)测试仪器为耶格Oxycon Moblie遥测运动心肺功能测试系统(见图1)，通过耳夹式脉搏血氧仪采集心率及血氧饱和度，呼吸面罩采集肺气通量及耗氧量。采集数据经无线模块传输至电脑。

3)在每个工序开始前为受测人员穿戴仪器预热15 min，从劳动开始进行正式测试，测试时间持续整个劳动过程，全程通过电脑监控受测人员的生理指标变化。

(a)

(b)

1.2.2 环境因素测试

通过Oxycon Moblie心肺功能测试系统测试隧道进口段及1#斜井段工作场所大气压，使用希玛AS8901手持式氧气测试仪测试含氧量。

1.2.3 劳动时间率测试

每个工序劳动时间的测定自劳动开始至劳动结束，减去过程中的休息时间，获得净劳动时间。每个工序测定3次净劳动时间，取平均值，计算劳动时间率。

1.2.4 劳动强度指数计算

TB/T 2607—2006《铁道行业体力劳动强度分级》[11]根据体力劳动强度指数I对劳动强度进行分级，实现劳动强度量化。体力劳动强度指数的影响因素主要包括能量消耗以及时间消耗。

1.2.4.1 体力劳动强度指数计算

I=3Rt+1.673M(1+K)。

(1)

式中：I为体力劳动强度指数；Rt为劳动时间率，%；M为工作日平均能量代谢率，kJ/(min·m2)；K为海拔修正系数，海拔3 000～4 000 m时为0.65，≥4 000 m时为0.72。

1.2.4.2 劳动时间率计算

Rt=∑Tsi/T×100%。

(2)

式中： ∑Tsi为工作时间内净劳动时间，min；Tsi为单项劳动占用时间，min；T为工作日总时间，min。

1.2.4.3 平均能量代谢率计算

M=(∑Esi×Tsi+∑Erk×Trk)/T。

(3)

式中：M为工作日平均能量代谢率，kJ/(min·m2)；Esi为单项劳动能量代谢率，kJ/(min·m2)；Tsi为单项劳动占用时间，min；Erk为休息时的能量代谢率，kJ/(min·m2)；Trk为休息时占用时间，min；T为工作日总时间，min。

规范[11]中基于肺通气量计算能量代谢率，计算公式仅适用于肺气通量为3.0～30.9 L的情况。以往研究发现高海拔大强度体力劳动肺通气量远超过30.9 L[5]，本次测试同样发现高海拔隧道内体力劳动时肺通气量(已化为标准状态下的值)常大于30.9 L，因此基于肺通气量的能量代谢率计算公式并不能完全适用，本项研究采用临床医学公式[12]，基于耗氧量测试计算能量代谢率，计算公式如下：

M=(20.19x)/A。

(4)

式中：M为工作日平均能量代谢率，kJ/(min·m2)； 20.19为氧热价，kJ/L；x为耗氧量，L/min；A为单位体表面积，m2。

1.2.5 评价标准

根据TB/T 2607—2006《铁道行业体力劳动强度分级》，将劳动强度分为5级，如表1所示。

表1 体力劳动强度分级

GBZ 2.2—2007《工业场所有害因素职业接触限值 第2部分： 物理因素》[13]中规定： 工作日内从事任何单项体力劳动时，最大心率值不应超过150 bpm；工作日8 h总能量消耗不应超过6 276 kJ或7.824 kJ/(min·m2)。以往研究[9]中对于血氧饱和度的要求标准是不小于85%。

1.2.6 统计方法

所测数据以x±s表示，结果分析采用方差分析。

2 结果分析

2.1 测试影响因素分析

测试目的是旨在分析海拔高差以及劳动强度对不同工序施工人员生理指标的影响差异。但是，掌子面钻炮眼及掌子面喷浆测试地点在掌子面附近，而二次衬砌钢筋绑扎、二次衬砌防水布铺设、二次衬砌浇筑测试地点在二次衬砌台车附近，2个不同地点的氧分压差异可能会影响测试结果。环境因素测试结果显示，进口段两地点大气压为60.6～60.7 kPa，氧含量均为20.9%，氧分压为12.66～12.68 kPa； 1#斜井两地点大气压均为57.7～57.8 kPa，氧含量为20.9%，氧分压为12.06～12.08 kPa。进口段、1#斜井段两地点氧气分压差异均小于0.02 kPa。

2.2 心肺功能指标评价

以往研究显示，劳动者从事体力作业时，经过4～5 min即可达到与劳动强度相适应的水平，进入作业阶段的稳定期[14]。本次测试结果也显示受测人员在劳动开始5 min内心肺功能指标变化波动大，因此选取5 min以后心肺功能指标的平均值代表体力劳动人员劳动状态下的心肺功能指标。

不同海拔隧道不同工序下体力劳动人员的心率如表2所示。由表2可见： 不同工序下，施工人员的心率差异较直观。其中，钢筋绑扎工序下，施工人员平均心率达到136 bpm，虽未超过卫生限值(150 bpm)，但个别受测者心率已超过140 bpm，需要引起重视。进行掌子面喷浆及二次衬砌浇筑工序时，施工人员劳动强度较轻，平均心率较低。

表2 不同海拔隧道不同工序下体力劳动人员的心率

不同海拔隧道不同工序下体力劳动人员的血氧饱和度如表3所示。由表3可见： 不同工序劳动强度引起的血氧饱和度差异较明显。其中，钢筋绑扎工序下，施工人员的平均血氧饱和度已下降到80%，严重低于卫生限值(85%)。掌子面钻炮眼及防水板铺设工序下，施工人员的平均血氧饱和度也已接近卫生限值(85%)。掌子面钻炮眼和二次衬砌浇筑工序下，施工人员血氧饱和度保持在较安全的范围。高强度体力劳动时呼吸频率增快，使吸入气在肺泡内与血液交换时间缩短，从而限制了氧的弥散效率，导致了血氧饱和度下降。

从心肺功能指标(心率、血氧饱和度)角度分析，钢筋绑扎工序是劳动强度最大的工序，原因是该工序下施工人员需要参与大量钢筋搬运；掌子面喷浆及二次衬砌浇筑是劳动强度相对较小的工序，原因是该工序机械化程度高，施工人员大部分时间通过操纵机械施工。

表3 不同海拔隧道不同工序下体力劳动人员的血氧饱和度

2.3 劳动强度指数评价

基于耗氧量(见表4)计算平均能量代谢率,不同海拔隧道不同工序下施工人员的平均能量代谢率如表5所示。由表5可见： 不同工序下，施工人员平均能量代谢率差异明显。其中，掌子面钻炮眼及钢筋绑扎工序下，施工人员平均能量代谢率较大，均超过卫生限值(7.824 kJ/(min·m2))，其余工序平均能量代谢率均未超过卫生限值。低氧反应引起的通气过度及高劳动强度造成的呼吸肌剧烈运动，促使机体耗氧量增加，即引起平均能量代谢率增加。

隧道进口段与1#斜井段各工序每日施工时间大致相同，因此取为相同，如表6所示。

表4 不同海拔隧道不同工序下施工人员的耗氧量

表5 不同海拔隧道不同工序下施工人员的平均能量代谢率

注： *表示进口段与1#斜井段比较，显著性P<0.05。下同。

表6隧道不同施工工序劳动时间率

Table 6 Working time rate of different tunnel construction procedures

工序 劳动时间/min劳动时间率/%掌子面钻炮眼3000.625掌子面喷浆2400.5二次衬砌钢筋绑扎4200.875二次衬砌防水布铺设4200.875二次衬砌浇筑4200.875

不同海拔下隧道各类施工工序劳动强度分级见表7。结果显示，各工序劳动强度大部分为中度—极重度，与以往研究结果较吻合[8]。各工序间由于存在能量消耗及时间消耗差异，劳动强度指数差异有所区别，其中钢筋绑扎工序劳动指数达到35，属于极重体力劳动，在施工人员组织时需要采取特殊考虑，考虑增加施工人员数量或缩短作业时间。

表7 不同海拔下隧道不同施工工序劳动强度分级

由于各工序测试样本较少，为分析海拔差异带来的体力劳动强度差异，通过计算掌子面钻炮眼、掌子面喷浆、二次衬砌防水布铺设、二次衬砌浇筑4个工序劳动强度指数平均值，获得综合劳动强度指数，结果如表8所示。可知，260 m的海拔差异造成的隧道施工综合劳动强度指数差异具有统计学意义(P<0.05)。因此，相比进口段，1#斜井段在施工组织时应调整作业人员数量或作业时间。

表8不同海拔下隧道施工综合劳动强度指数

Table 8 Comprehensive labor intensity indices of tunnel construction at different altitudes

不同海拔测试个体数劳动强度指数进口段(海拔4 300 m)2017.9±5.6∗1#斜井段(海拔4 560 m)2019.7±5.7

3 结论与讨论

1)对比进口段和1#斜井段，260 m的海拔差距造成约0.4 kPa的氧气分压差异，除二次衬砌钢筋绑扎外的4个工序的综合劳动强度指数差异具有统计学意义(P<0.05)。

2)隧道各工序劳动强度不一，大部分为中度—极重度(海拔4 300～4 560 m)。从心肺功能指标及劳动强度指数2个角度看，劳动强度最大的工序都是钢筋绑扎，其次是掌子面钻炮眼。以上2个工序均有生理指标超过卫生限值的情况，需要通过调整施工人员组织或者进行针对性供氧，以确保施工安全且有效率地进行。

3)在高海拔隧道内进行体力劳动时，肺通气量(已化为标准状态下的值)常常大于30.9 L，现行规范中基于肺通气量计算平均能量代谢率的公式不完全适用，临床医学公式基于耗氧量测试计算平均能量代谢率，可作为计算公式选择之一，但仍需通过相应对比试验进行验证。

4)施工人员习服时间长短、隧道环境因素变化(氧分压、温湿度)、隧道施工进尺等因素均可能对施工人员劳动能力造成影响，进而影响生理指标测试结果。因此，仍需进一步研究上述因素对施工人员生理指标的具体影响程度。