铁路隧道放射性全周期监测方法与评价

2023-12-27熊川宝杨悦刘自超何家文王进

世界核地质科学 2023年4期

熊川宝，杨悦，刘自超，何家文，，王进

（1.安徽省核工业勘查技术总院测试中心，安徽芜湖 241000；2.安徽省核工业勘查技术总院安徽省放射核素工程研究中心，安徽芜湖 241000）

在铁路隧道施工的过程中，由于受当地岩性、隧道环境和地层构造等因素的影响，围岩中天然放射性核素所放出的伽马射线，隧道掌子面爆破、开挖施工产生的含放射性核素粉尘，隧道岩石和岩石缝隙中的析出氡及氡子体，含放射性的隧道渗出水和施工弃渣等，会对施工人员和周边环境产生放射性影响［1-2］。为此，为保障隧道施工和后期运营安全，有必要针对隧道施工的放射性影响开展跟踪监测。

目前，国内对于铁路隧道建设的放射性评价往往是以开展开工前地表监测为主，即根据隧址区地质构造情况，将隧道沿线地表的伽马辐射剂量率、土壤氡析出率、空气氡浓度和水样总放射性，同钻孔岩心和洞孔内的放射性和核素分析相结合，综合评价隧道施工期放射性危害的潜在可能和水平，并基于此提出异常点加密监测、通风、湿法作业、封闭掌子面、个人防护、增加初衬厚度、控制工作时长、及时排水和清运洞渣等放射性工程防治建议，甚至是改线避让方案。如：肖凡通过对赣南山区某隧道开展施工前检测，发现地质年龄较新的断裂带伽马辐射剂量率和岩心外照射指数偏高［3］；甘光元等以某地处断裂带位置的放射性花岗岩隧道为例，通过分析该隧道施工前不同钻孔区的放射性超限水平，评价了隧道洞身二衬混凝土的隔离屏蔽效果，并针对后期施工提出了加强监测、隧道防尘、降氡、封闭掌子面、排水及清运洞渣、弃渣利用等多方面的工程建议［4］；M.Y. Hanfi a b 等通过对花岗岩隧道中不同深度的岩石样品进行核素分析，分析隧道施工过程产生职业照射和公众照射的影响［5］；G. Cucchi 等通过测量施工前钻孔岩心样品的氡析出率、天然放射性核素含量和伽马剂量，结合待挖掘隧道的几何形状，通过计算，实现了对隧道后期施工过程中氡浓度的优化模拟和评价［6］。

但是受成矿、迁移、吸附和侵蚀等作用以及地质构造特征的影响，一些分布不均的天然放射性核素异常点可能未在钻孔分析和地表测量的过程中被发现和重视，从而对隧道施工过程人员产生放射性损害。为此，有必要从施工前、施工期间和隧道贯通后全周期跟踪监测的角度出发，通过制定系统、科学的放射性监测方案，分析隧道放射性水平，总结隧道建设各阶段的放射性特征。

1 隧道地质背景及周边环境

本研究实际监测对象为福建某双线高速铁路隧道建设项目途经的两条连续花岗岩隧道，隧道A 和隧道B 的位置关系如图1 所示，其中，连续隧道A 里程为DK11+675 到DK19+340，DK14+400 处设有斜井。隧道A 地表覆盖第四系冲洪积和残坡积层，下伏地层以燕山期花岗岩、震旦系下统楼子坝群为主，洞身段以穿越燕山期花岗岩（γ）为主。

图1 隧道A 和隧道B 周边环境情况Fig. 1 Surrounding situation of tunnel A and Tunnel B

隧道B 里程为DK19+545 到DK24+964，DK21+350 处设有斜井。隧道B 地表覆盖第四系全新统冲洪积粉质黏土、角砾土及第四系中更新统残坡积粉质黏土，下伏基岩主要为燕山早期（γ）花岗岩，洞身以穿越燕山早期花岗岩（γ）为主。

隧道途经晚元古代—中生代地层及燕山早期侵入岩、晚期侵入岩和楼子坝群。其中，隧道A 沿线与5 条断层带相交，分别位于DK12+750、DK14+050、DK15+050、DK16+350 和DK18+225 附近；隧道B 沿线相交的地质构造中有2个节理裂隙发育带（DK20+400、DK23+100 附近）和3 条断层带（DK20+180、DK23+700 和DK24+325）。

隧道施工期间，为短期堆放、回收利用和退役处置隧道施工产生的碎石和废渣，沿隧道里程依次建设了5个不同规模的渣场。同时，隧道A 和隧道B 进出口、斜井等开挖区附近还存在施工人员临时板房居住区和少量民房。

2 放射性监测方案设计

2.1 质量保证

本次放射性调查评价工作，严格按照国家和行业相关规范、标准要求进行，所采用的测量仪器均经检定合格并在有效期内使用。同时，为保证数据采集的准确性，所使用的多功能剂量率仪、便携式伽马能谱仪等设备开工前，均选择项目所在地周边远离城镇的一处空旷、读数相对稳定、环境影响较小原野地带，作为基准点，测定基准值。此后，每天开工前和收工后回到该点分别读取多组数据，取其平均值与基准值对比，进行长期稳定性检查。仅当满足EJ/T 363—2012“伽玛能谱仪各道计数率的相对误差在±15 %之内”［7］以及HJ 61—2021“计量器具核查误差超过15 %时，仪器应停用，检查原因”［8］，仪器合格，方能出勤。

2.2 监测方案设计

结合HJ 61—2021［8］，根据施工进度，设计隧道放射性监测方案，经专家组评审通过后执行（表1）。1）施工前：对隧道、周边人居环境和拟设渣场地等区域进行放射性监测，了解隧道地表放射性分布规律及潜在照射情况，为施工过程管理和贯通验收评价提供数据参考；2）施工期间：根据隧道开挖进度，按进度对隧道及周边人居环境进行放射性跟踪检测，及时提出辐射防护措施及建议，保障施工人员和周边环境安全；3）隧道贯通后：已完成施工的隧道进行全面放射性水平检测，保证投入使用前辐射水平恢复至安全标准以下。

表1 隧道监测方案Table 1 Tunnel monitoring scheme

2.3 样品采集与处理

隧道、周边环境、渣场的采样工作均按相关规范要求进行，并执行严格的质控措施。其中，隧道岩石、土壤样品主要采集爆破后靠近岩壁部分的多块碎石，用地质样品袋混合装样送检；渣场岩石、土壤样品则主要采集经破碎后待回收利用的不同粒径碎石进行分析，以确保弃渣的安全使用和处置。

地表水采样使用塑料桶进行采集，容器预先用（1+10）的盐酸洗涤后，再用净水冲洗干净，盖上待用。采样时，优先选择水库和河流等公共水源、居民生活用水（井水）和隧道岩壁渗出水，用待采水样洗涤三次后开始采集。取样后，抽取适量样进行水中氡浓度分析后，在样品中加入硝酸（1+1），盖严密封后，同岩石样运回实验室分析。

2.4 测量仪器及方法

伽马剂量率采用FH 40G+FHZ 672E-10型多功能剂量率仪进行测量（美国THERMOFISHER），每个监测点记录10个离地1 m 数据，将平均值作为该点位代表值；现场土壤岩石比活度测量使用RS230型便携式伽马能谱仪进行（美国RSI），测量时间为120 s；空气氡、水中氡和土壤氡析出率采用RAD 7型氡测量仪进行（美国DURRIDGE）进行测量；总α、总β 采用BH 1216-Ⅲ型二路低本底α、β 测量仪测量（中国中核控制）；岩石、土壤样品中的镭（226Ra）、钍（232Th）和钾（40K）采用宽能型低本底高纯锗伽马能谱仪进行测量（美国CANBERRA，分辨率1.66 KeV@1332 KeV，探测效率63.3 %@1352 KeV）；水中铀采用WGJ-Ⅲ型激光测铀仪测量（中国大吉光电）。

2.5 主要计算方法

1）人员受伽马辐射外照射剂量估算根据TB 10027—2022 计算［9］：

式（1）中：H—有效剂量当量，Sv；Dγ—环境地表伽马辐射空气吸收剂量率，Gy·h-1；k—有效剂量当量率与空气吸收剂量率比值（0.7 Sv·Gy-1）；t—环境中停留时间，h。

2）人员吸入氡附加内照射剂量按公式（2）计算：

式（2）中：D—氡吸入所致附加剂量，Sv；0.4—氡与氡子体的平衡比；C氡—氡浓度增量，Bq·m-3；g—吸入氡剂量转换因子；t—接触时间，h。

3）放射性核素浓度所致内照射指数和外照射指数根据GB 6566—2010 计算［10］：

式（3）和（4）中：CRa、CTh和CK分别为岩石、土壤中放射性核素226Ra、232Th 和40K 的放射性比活度，Bq·kg-1；200、370、260 和4 200分别为各核素单独存在时的规定限值，Bq·kg-1。

2.6 评价标准与限值

为保证施工人员、公众健康，减轻施工环境污染，严格按照国家相关规定和标准，对各项放射性参数进行监测和分析。隧道内各放射性指标执行标准及限值如表2 所示。

表2 隧道放射性监测相关参数及标准限值Table 2 Standard limits of radioactivity for the tunnel monitoring

3 监测结果

3.1 隧道放射性

为分析和掌握施工前、施工期和隧道贯通后三个阶段，隧道内放射性变化规律，保障施工人员和周边环境安全。项目组根据隧道施工进度，对隧道开挖区掌子面伽马辐射剂量率，226Ra、232Th、40K 比活度和空气氡浓度进行测量，相关调查结果见表3。其中，施工期隧道内空气氡浓度在正常通风条件下测量（采用大型风机将新鲜空气送至距作业面30～50 m 的范围）；隧道贯通后时，隧道内未安装主动通风系统，在自然通风条件下进行测量。

表3 施工前后隧道放射性调查结果对比Table 3 Radioactivity comparison of tunnel before and after construction

3.2 渣场放射性

为保护环境，实现资源的有效利用，隧道开挖区的渣石将就近运往渣场1、渣场2、渣场3、渣场4 和渣场5 进行集中堆放，并根据渣石内、外照射指数情况，按GB 6566—2010 筛选，用于隧道内路面铺设或围岩浇筑，以提高复用率，减少弃渣量和生态损害。但考虑到渣石氡气析出和冲刷废水外排对环境的不良影响，仍有必要按季度对渣场外运碎石/覆土、流出水进行采样分析（表4）。

表4 施工前后渣场放射性调查结果对比Table 4 Radioactivity comparison of spoil area before and after construction

3.3 周边环境放射性

为分析和评价施工过程对周边居民区和生活区的影响，周边人居环境1～5 按季度检测所得伽马辐射剂量率和空气氡浓度结果如表5 所示。

表5 施工前后周边人居环境放射性调查结果对比Table 5 Radioactivity comparison of surrounding area before and after construction

3.4 取样分析结果

为提高分析结果的准确性和全面性，本次放射性监测还采集隧道内、隧道外渣场和周边人居环境渣石和裂隙水送实验室分析，结果见表6。

表6 施工前后取样分析结果对比Table 6 Comparison of sampling analysis results before and after construction

4 结果分析

4.1 隧道放射性

4.1.1 隧道放射性影响评价

按施工人员每天工作8 h 计算，其年（365 d）隧道内停留时间为2 920 h，则施工期间，隧道A 和隧道B 对施工人员所致附加外照射年均有效剂量分别为0.30 和0.17 mSv。同时，分别代入施工期隧道A 和隧道B 空气氡浓度平均增量182.5 和91.7 Bq·m-3，则隧道空气氡所致施工人员内照射年均有效剂量分别为1.85×10-3和9.32×10-4mSv。综上所述，施工期施工人员所受内、外照射之和小于“施工人员年有效剂量限值5 mSv/a”剂量约束值要求［11］，施工期隧道放射性总体安全。

隧道贯通后，由于高速铁路穿行时间较快，且车厢封闭，隧道放射性对车厢内乘客影响基本可以忽略，主要关注对象为隧道运维期间的检修人员。按年最大检修时长60 d、一天工作8 h计算，则检修人员隧道内停留时间为480 h，隧道A 和隧道B 对检修人员所致附加外照射年平均有效剂量分别为0.04 和0.02 mSv。同时，代入隧道贯通后时相应的空气氡浓度平均增量（隧道A：131.7 Bq·m-3，隧道B：49.6 Bq·m-3），则隧道A 和隧道B 对检修人员所致外照射年平均有效剂量为2.20×10-4和8.29×10-5mSv。可见，隧道贯通运营期间，检修人员所受内、外照射之和满足“公众0.25 mSv·a-1”的剂量约束值要求，施工期隧道放射性总体安全。

4.1.2 隧道放射性随施工期变化

对比施工前、施工期和隧道贯通后隧道放射性检测结果，可以看出，隧道A 和隧道B 的地表伽马辐射剂量率和空气氡浓度符合“施工期＞隧道贯通后＞施工前背景”的规律，这主要是因为施工期隧道内空间相对封闭、掌子面花岗岩裸露、隧道内破碎渣石、扬尘等因素的影响，隧道内伽马空气吸收剂量率和空气氡浓度比较突出［12-13］。随着隧道贯通竣工，受隧道支护结构和表面混凝土的密封屏蔽作用，隧道贯通后时的空气伽马吸收剂量率和空气氡浓度较施工期有所降低。

同时，对比不同施工阶段隧道A 和隧道B施工前、施工期和隧道贯通后的伽马辐射剂量率范围以及标准偏差，可以看出，施工期隧道内伽马辐射剂量率波动更加明显（隧道A 标准偏差：37.7、85.0 和22.0 nGy·h-1，隧道B 标准偏差：27.9、66.3 和20.7 nGy·h-1），即，地下施工过程中，异常点位出现的可能性更高，人员更有可能受到异常照射。为此，在开展隧道放射性评价时，采用全周期监测的方法，相较于仅简单进行施工前地表监测或终态验收检测，更为科学合理。

4.1.3 隧道放射性来源分析

为分析和了解隧道内放射性主要来源，根据隧道地质构造情况，对施工期隧道A 和隧道B 的伽马辐射剂量率、伽马能谱结果进行了分类统计，结果见表7。可见，隧道内伽马剂量率在燕山早期第三阶段的岩体中最高，基本表现出“燕山早期花岗岩＞辉绿玢岩＞燕山晚期＞震旦系楼子坝群千枚岩/变质砂岩/板岩”的规律［14-15］。结合对伽马能谱分析，隧道伽马剂量率主要受燕山早期第三阶段岩体中铀含量较高的影响，其次是钍含量的影响，同钾含量的相关性不大。

表7 隧道放射性水平同地层/构造的关系Table 7 Relationship between tunnel radioactivity and strata/structure

4.2 渣场放射性

施工期和隧道贯通后时，5个渣场地表伽马辐射剂量率与相应的施工前地表伽马辐射剂量率监测结果基本相当，未引起周边剂量率明显变化，属正常水平。扣除相应渣场施工前的地表伽马辐射剂量率均值后，附加最大吸收剂量率为146 nGy·h-1，满足EJ/T 977—1995 规定的“项目竣工后渣场吸收剂量率扣除本底后不应超过174 nGy·h-1”的规范要求［16］。

根据HJ 53—2000 表1 和2 基于年剂量约束值为0.1 mSv·a-1所导出的土壤中剩余放射性可接受水平［17］，按公众执行0.25 mSv·a-1的年剂量约束值，则渣场区域232Th 含量应低于157.5 Bq·kg-1，238U 含量应低于65 Bq·kg-1。可见，扣除施工前平均本底后，渣场区域土壤中剩余放射性可接受水平满足标准开放要求。

隧道贯通后渣场氡析出率满足GB 23727—2020 规定的“项目竣工后渣场氡析出率不应超过0.74 Bq·m-2·s-1”的规范要求［18］。对比施工各阶段渣场氡析出率检测结果，可以发现，施工期由于堆放隧道外运渣土/石，氡析出率较施工前存在增加。而随着项目完工整治，渣土/石的重复使用或覆土掩埋，渣场氡析出率恢复至施工前相当水平。同时，根据表4，隧道贯通后渣场238U 含量扣除施工前均值73.2 Bq·kg-1后，相应的238U 含量范围介于0～77.5 Bq·kg-1之间，按“自然条件下铀镭长期平衡，母体和子体的放射性活度相等”［19］，所得的226Ra 含量范围介于0～0.078 Bq·g-1之间，导出的任何100 m2范围内土层中226Ra 的平均活度浓度扣除当地本底值后远低于0.18 Bq·g-1，满足GB 23727—2020 规范要求。

4.3 周边环境放射性

隧道A 和隧道B 施工期和隧道贯通后周边人居环境伽马辐射剂量率和空气氡浓度与施工前监测结果基本相当，属正常水平。

4.4 取样分析结果

根据施工期隧道掘进过程中掌子面碎石的取样检测结果，隧道A、隧道B、渣场岩石取样内/外照射指数范围满足GB 6566—2010 中对“建筑主体材料应同时满足IRa≤1.0 和Iγ≤1.0”的相关要求，因此，施工过程中可根据相关要求，对隧道采空区渣石尽量进行复用，以减少堆放量，降低弃渣石大量堆放带来的环境风险和安全风险。

同时，在流出物方面，施工期隧道、周边人居环境地表水和地下水铀浓度满足GB 23727—2020 规定的“0.3 mg·L-1”限值，总α、总β 浓度满足GB/T 14848—2017 中“Ⅲ类地下水，总α 放射性指导值0.5 Bq·L-1、总β 放射性指导值1.0 Bq·L-1”的要求［20］。隧道贯通后取样分析结果也表明：隧道渣场和周边环境各指标未出现超标，满足后续开放要求。