高速铁路隧道有毒物质环境下修建技术研究

俞 峰

(杭黄铁路有限公司, 安徽 黄山 245000)

0 引言

杭黄铁路天目山隧道施工过程中遇到有毒物质，造成作业人员眼结膜充血、皮疹和皮肤脱落等急性刺激性伤害，经监测发现存在放射性，氡气、SO2、NO2、CO有害气体及隧道粉尘中有害物质钒等。在铁路建设中出现的不明伤害，主要由瓦斯、H2S、SO2、放射性和粉尘等引起，直接影响人身安全和工程建设。目前，国内外学者对含有瓦斯和H2S气体地层的隧道研究较多，但关于放射性的研究和施工经验较少，且研究主要集中在施工防护措施上。刘富强等[1]针对天池水电站地下洞室群岩壁氡气析出，从喷浆覆盖、通风降氡和个人辐射防护3方面进行控氡抑氡。陈汉宁等[2]针对隧道氡气质量浓度超标，拟定了机械通风、自动喷淋、佩戴口罩和防护服等一系列降低氡气质量浓度的综合防护措施。廉国斌等[3]分析了地下工程内部环境中氡气的主要来源，通过消除氡源、选用符合放射性要求的建筑材料、隔离氡气渗入途径和通风排氡等措施来降低氡气的质量浓度。有毒物质及辐射环境隧道施工关键技术除了采用被动防护措施外，还应重点研究主动防护，把有毒物质和辐射及时隔离在隧道施工空间以外，尽量避免和减少有毒物质和辐射对隧道空间环境的侵害。随着交通事业的发展，将会越来越多地遇到类似的复杂地质条件，因此，查明伤害原因，采取有效的主动防范措施，研究解决这一难题对有毒地质条件下施工及运营安全具有重要意义。

本文通过监测分析有毒物质的性质及分布，采用资料调研、现场监测、理论计算、数值模拟和现场试验等方式，研究主动防护隔离手段，采取了超前周边预注浆、隧道结构加强、气密性混凝土、喷雾降尘、施工通风及施工监测等一系列措施，创新研发了金属钒的快速监测和现场施工通风控制方法，研究了施工废水和废砟处理措施。与以往的研究成果相比，本文相对系统地提出了有毒物质和辐射环境下隧道修建技术，实现施工中有毒物质及辐射的及时预警，以确保施工安全和进度，保证运营安全。

1 工程概况

杭黄铁路天目山隧道位于天目山山脉西南，隧址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，进出口里程分别为DK201+823、DK213+836，全长12 013 m。隧道出口段最高山峰海拔标高1 140 m，最低沟谷海拔标高375 m，地形陡峻、地质构造复杂，地层岩性主要为寒武系下统荷塘组(∈1h)、震旦系上统皮园村组(Z2p)。

通过监测分析，隧道中有毒物质主要是放射性核素，氡气、SO2、NO2、CO等有害气体以及粉尘中有害物质钒等，分布情况如下[4-8]：

1) DK213+000～+840段属于偏铀型高背景区，隧道地表放射性核素238U 比活度为 21.8～2 341.3 Bq/kg，平均值为236.3 Bq/kg，高于全国平均值39.5 Bq/kg，原因是隧道地表岩层主要为寒武系炭质泥岩，核素铀的底数较高，系炭质泥岩吸附铀所致，局部地段断裂构造发育，氡气运移条件较好，局部地段形成氡气的富集。地表土壤中氡气质量浓度为518～135 930 Bq/m3，平均氡气质量浓度为25 690 Bq/m3，高于GB 50325—2010《民用建筑工程室内污染控制规范》要求的限值20 000 Bq/m3。

隧道内掌子面附近岩石内照射指数IRa为2.34～2.86，外照射指数Iγ为1.57～1.78，均大于《民用建筑工程室内污染控制规范》标准中要求的IRa≤1.3、Iγ≤1.0限值。此段隧道内掌子面附近岩石不可作为民用建筑工程地基回填使用。

2)岩石及隧道粉尘中有害物质主要为钒[9-10]。地层岩石中有较高含量的钒元素(化合物)，在隧道施工过程中以粉尘的方式进入施工环境，个别粉尘样品含量高达1 379.81 mg/kg，均值为764.8 mg/kg，隧道空气中钒最高质量浓度达到77.88 μg/m3，为职业接触限值的1.6倍。

3)岩石中硫及硫化物含量较高，爆破施工时产生大量SO2、NO2及CO。在掌子面(DK212+571.7)、仰拱(DK212+655.6)、二次衬砌(DK212+712.3)处监测SO2、NO2、CO有害气体质量浓度。放炮前、放炮后及通风后监测显示： SO2质量浓度分别为0.730～0.923、6.19～7.32、0.501～0.697 mg/m3；CO质量浓度分别为2.9～5.5、269～327、5.8～11.2 mg/m3。3处放炮后均超过限值，但通风降尘后未超限。NO2质量浓度分别为0.465～0.655、1.43～1.88、0.140～0.312 mg/m3，均未超限。

SO2、CO等有害气体对环境污染最大，放炮后其质量浓度是限值的几十倍；放射性及氡气对施工人员危害最大；粉尘中的有害物质钒次之。

2 有毒物质防治措施

2.1 超前周边预注浆

DK213+400～+700段DK213+650处为F1断层破碎带及其影响带(见图1)，围岩较为破碎，氡气局部富集，容易氡气析出。采用超前周边注浆加固封堵围岩破碎带[11]，减少岩层裂隙，降低渗透系数，可有效阻止氡气的大量逸出。

根据周边预注浆控氡机制，采用有限元法建立隧道断层破碎带处的数值分析模型，计算出不同注浆厚度下氡气析出量减少百分比，见表1。注浆厚度为3 m时，隧道内析出的氡气减少39.19%，在3～6 m时，氡气析出明显变缓。因隧道总体析出的氡气较小，综合考虑通风、喷雾洒水等措施，注浆厚度为3 m时满足要求。

图1 F1断层地质图

表1氡气析出量减少百分比计算结果

Table 1 Calculation results of percentage reduction of radon exhalation

注浆厚度/m减少百分比1.023.871.528.062.032.102.535.813.039.193.541.774.043.714.545.975.047.425.549.036.050.32

超前注浆加固圈固结范围为开挖轮廓线外3 m，如图2所示。每一循环注浆长度约为30 m。按注浆孔扩散半径2 m，孔底间距3 m布置，采用纯水泥浆液(水灰比1∶1)。注浆完成后，在开挖轮廓线范围内打设检查孔，监测注浆效果，检查完后，及时采用M10水泥砂浆全孔封堵检查孔。

2.2 隧道结构加强

为有效防止射线照射及氡气逸出，研究混凝土气密性和加强隧道衬砌结构[12-13]。

2.2.1 气密性混凝土

影响气密性混凝土配制的参数主要有水胶比、用水量、气密剂掺量、砂率和减水剂掺量等。综合分析，采用正交试验方法按5因素3水平进行试验考察，共计18组试验，因素水平安排表见表2。

图2 注浆钻孔正面示意图 (单位： cm)

表2 因素水平安排表

注： 胶凝材料由水泥及粉煤灰组成，粉煤灰用量占胶凝材料总量的20%。

5种因素对混凝土气密性的影响程度见图3。其中气密剂掺量影响最大，根据正交试验得到气密性混凝土最佳配合比，即水胶比为0.36，单方用水量为150 kg，气密剂掺量为10%，砂率为42%，减水剂掺量为1.4%。经测试，其透气系数为0.6×10-13cm/s。

图35种因素对混凝土气密性影响曲线

Fig. 3 Curves of relationships between concrete airtightness and 5 factors

f2.2.2 隧道衬砌结构

隧道内的辐射主要有: 1)围岩本身放射性核素直接释放出的α、β和γ射线； 2)围岩壁析出的氡气。本次研究射线屏蔽和氡气析出阻断机制，以确定隧道衬砌厚度。

2.2.2.1 射线屏蔽

α射线是氦核，β射线是电子流，穿透能力均不强，主要是屏蔽γ射线。根据试验，混凝土对γ射线的吸收规律服从

I=I0e-σρx。

(1)

式中：I为γ射线通过混凝土后的强度；I0为γ射线通过混凝土前的强度；σ为混凝土对射线的质量吸收系数；ρ为混凝土的密度；x为混凝土的厚度。

计算得γ辐射强度的衰减率变化趋势见图4。随着混凝土厚度增加，γ射线强度明显衰减，当混凝土厚度为40 cm时，基本衰减完。

图4 混凝土厚度和γ射线强度衰减率的关系

Fig. 4 Relationship between concrete thickness andγ-ray intensity attenuation rate

2.2.2.2 氡气析出阻断

围岩壁的氡气析出可看作只有一个暴露表面的无限岩体，衬砌可视作在半无限大均匀多孔介质表面覆盖1层均匀介质的覆盖层。按图5选取计算坐标，射气介质和覆盖层中氡气质量浓度分布可用下列方程描述。

图5 覆盖层计算坐标

1)在半无限大射气介质中，x>x0,有方程

(2)

2)在覆盖层中，0

(3)

式中：D1为氡气在射气介质中的扩散系数，cm2/s；C1为射气介质中氡气的孔隙质量浓度，Bq/cm3；ν为射气介质和覆盖层中的渗流速度，cm/s；λ为氡气的衰变常数，1/s；η1为射气介质的孔隙度；a1为不射气介质产生可移动氡气的能力，Bq/(s·cm3);D2为氡气在覆盖层中的扩散系数，cm2/s；C2为覆盖层中氡气的孔隙质量浓度，Bq/cm3；η2为覆盖层的孔隙度；x0为覆盖层的厚度，cm。

经计算，衬砌厚度与氡气析出率的规律曲线见图6。随着衬砌厚度的增加，隧道洞内氡气的析出量逐渐减小，衬砌厚度为40～60 cm时，氡气析出率下降量明显减少，综合考虑安全性和经济性，衬砌厚度宜取40～45 cm。

Fig. 6 Curve of relationship between lining thickness and radon exhalation rate

综上研究，二次衬砌采用C35素混凝土,拱墙厚度为40 cm，仰拱厚度为45 cm。混凝土内按10%掺加气密剂，混凝土添加35 kg/m3气密剂。隧道二次衬砌示意图见图7。

图7 隧道二次衬砌示意图 (单位： cm)

2.3 施工防护措施

1)改变传统水封爆炸方法，研究采用化学水袋和化学水炮泥联合充填炮眼，大幅降低开挖爆炮时的粉尘，平均降尘效率达48%。

2)经试验对比，采用并用式通风方式能较快地将有害物质排出[14]。规范规定最小排尘风速为0.15 m/s，适合粒径小于5 μm的微细粉尘。监测发现隧道内存在粒径为5～50 μm的有害钒粉尘。假设粉尘为球状，通常空气绕过球形粉尘处于紊流状态，根据雷诺数试验，按式(4)计算，得粒径小于50 μm 粉尘的排尘最小允许风速为0.75 m/s。

(4)

式中：vmin为最小允许风速，m/s;K为修正系数，一般隧道内取4.57；d为粉尘的粒径，μm;γs为粉尘的密度，kg/m3；γ为空气密度，kg/m3；g为重力加速度，9.8 m/s2；μ为空气动力黏滞系数, kg·s/m2。

为有效降低粉尘质量浓度，最小排尘风速采用0.75 m/s，同时开发一套施工通风现场控制方法，实现对风机的及时调控，有效降低了有害气体质量浓度，达到职业接触限值要求，减少了人员投入，节约了工程成本。

3)采用喷雾洒水措施，研究确定最佳喷雾布置。以隧道横断面中线与拱顶的交点为起点，喷嘴沿隧道环向左右对称布置，喷嘴之间夹角15°，布置9个喷嘴，降尘效果明显。通风和喷雾洒水组合降尘效率达70%以上，空气中氡气质量浓度降低13.3%左右。

4)成立放射性物质监测小组，定期监测并形成记录，随时监控有毒物质数据。研究发明了隧道施工环境中金属钒的快速监测方法，取代了传统实验室取样分析方法，实现在线监测。

5)施工期间规定开挖支护作业时间，作业人员定期体检，施工完成后跟踪体检。施工人员根据隧道施工位置和工种以及辐射强度，采取佩戴防护口罩、手套等防护措施，必要时，采取佩戴防毒面具、护目镜等更高防护级别的防护措施。

3 隧道废水、弃砟处理措施

3.1 隧道废水处理

隧道穿过灰岩炭质泥岩，含硫量较高，施工产生的粉尘、废砟经喷雾降尘和水冲洗后，废水中含有硫化物，隧道裂隙水中含有放射性，造成水中的总α和总β超标[15]。在天目山隧道出口设置废水处理池，废水处理流程(见图8)为： 酸碱中和—硫化物处理—调节沉淀斜板隔油池—气浮过滤一体化设备—深度处理设备—清水池。

图8 废水处理流程示意图

采用FeCl3处理硫化物，采用PAC(聚合氯化铝)和 PAM(聚丙烯酰胺)组合投放处理悬浮物、油类等，采用活性炭滤罐过滤处理水中的总α放射性及总β放射性，处理达标后排放。施工过程中监控废水水质及水量，确保达标排放。

3.2 隧道弃砟处理

隧道弃砟存在放射性，应及时掩埋封闭处理，按规范要求设置独立弃砟场，远离村民住宅、农田及水源等敏感构筑物，做好基底固化和防水处理。

1)为防止氡气析出，弃砟应分层填筑，分层厚度不大于2 m，每2 m铺砌1层50 cm厚的黏土层。弃砟场示意见图9。

(a) 剖面示意图

(b) 横断面图

2)砟场底部设置复合隔水层(见图10)，复合隔水层为50 cm厚黏土层+1层土工布+50 cm厚黏土层。

图10 弃砟场底部复合隔水层

3)砟场表面和边坡采用清淤弃土或清除的地表种植土、表土等，覆土厚度不少于0.5 m，复耕或撒播草籽、乔灌结合绿化。

4 实施效果

1)施工中采取通风和喷雾洒水等措施后，监测有害气体均未超限；实测仰拱和二次衬砌台车处含钒粉尘，质量浓度30 min内降至1 mg/m3和1.1 mg/m3，低于国家检出限值。隧道贯通后监测有害气体、粉尘和钒，在自然风的作用下，质量浓度均低于检出限值，对铁路运营及养护不产生危害。

2)衬砌前后的γ辐射剂量率对比测试见图11，衬砌后γ辐射剂量率大幅减小，为0.08～0.15 μSv/h，均值为0.12 μSv/h。贯通后隧道内氡子体α潜能质量浓度基本处于痕量范围，最大值为0.01 μJ/m3。

根据照射总剂量的估算模型H总=H内(α)+H外(式中：H内(α)为氡及其子体吸入人体后造成的α辐射；H外为外照度γ辐射剂量)。以全年工作360 d，每天8 h计，贯通后施工人员总照射年有效剂量为0.386 mSv，低于目标管理限值1 mSv。

图11 衬砌前后γ辐射剂量率对比

3)弃砟场γ辐射对一般公众照射所致年吸收剂量为0.07～0.18 mSv，满足GB 9132—1988《低中水平放射性固体废物的浅层处置规定》不超过0.25 mSv的规定。

4)水中总α测定范围为0.087～0.433 Bq/L，总β测定范围为0.075～0.586 Bq/L，均小于GB 5749—2006《生活用水卫生标准》中总α为0.5 Bq/L、总β为1.0 Bq/L的限量标准。

5 结论与建议

针对天目山隧道有毒物质，施工中采取二次衬砌结构加强、内掺气密剂增加混凝土气密性、在氡气易析出段落采取超前注浆等措施，降低了岩体渗透系数，减少了氡气逸出； 采用水封爆炸技术、通风控制技术、金属钒快速在线监测方法和喷雾降尘措施等，有效控制了有毒物质影响，确保了施工和铁路运营维护安全。

建议今后对隧道所处地层含氡气质量浓度异常情况进行施工工区划分，对工区细分为不同等级的地段，一种地段对应一种结构措施，从而使设计更科学合理。同时,建议进一步总结积累类似天目山隧道有毒物质环境下的设计和施工经验，形成相应规范规程，弥补标准体系的空白。