高溫隧道熱害等級(jí)劃分方法

陳 奇， 陳壽根

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

正確、合理的熱害分級(jí)是在充分掌握隧道熱源環(huán)境基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)高溫環(huán)境對(duì)人員生理健康產(chǎn)生危害程度的重要判據(jù)，是高溫環(huán)境下施工穩(wěn)步進(jìn)行、施工質(zhì)量得到有力保障的前提。謝君泰、余云燕[1]以新建拉薩至日喀則鐵路高巖溫隧道的設(shè)計(jì)、施工作為依托，結(jié)合拉日線高巖溫隧道所處的高海拔、低氣壓、缺氧等特殊條件，對(duì)吉沃希嘎高巖溫隧道的熱害按照施工和設(shè)計(jì)進(jìn)行分別劃分。其成果為拉日鐵路的勘察設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)，但該分級(jí)方法可以考慮作業(yè)強(qiáng)度和作業(yè)時(shí)間等因素而避免分級(jí)指標(biāo)單一，使其分級(jí)方法更加完善。任智剛、劉功智等[2]通過(guò)對(duì)井下高溫作業(yè)場(chǎng)所作業(yè)人員人體熱交換過(guò)程及影響因素的分析,建立了包括4項(xiàng)指標(biāo)的井下高溫作業(yè)場(chǎng)所評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行定性和定量篩選分析,最終確定以WBGT指數(shù)和最高體力勞動(dòng)強(qiáng)度級(jí)別作為井下高溫作業(yè)場(chǎng)所熱害程度分級(jí)指標(biāo)。曹雪玲、張妮萍等[3]探討了高溫作業(yè)熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，建議利用WBGT指數(shù)作高溫綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的同時(shí)，掌握當(dāng)?shù)馗邷丶竟?jié)自然氣象條件，同時(shí)檢測(cè)作業(yè)崗位室內(nèi)外溫差，分析高溫形成的因素，有針對(duì)性地指導(dǎo)防暑降溫工作，有效保護(hù)勞動(dòng)者生命健康安全。王欣平[4]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外作業(yè)場(chǎng)所職業(yè)危害程度分級(jí)現(xiàn)狀,認(rèn)為我國(guó)作業(yè)場(chǎng)所職業(yè)危害程度嚴(yán)重和職業(yè)衛(wèi)生監(jiān)督力量薄弱,并提出了在我國(guó)進(jìn)行作業(yè)場(chǎng)所進(jìn)行綜合分級(jí),根據(jù)分級(jí)結(jié)果進(jìn)行分級(jí)監(jiān)察的設(shè)想。根據(jù)以上研究成果，如何選擇熱害指數(shù)，確定各個(gè)因素之間的權(quán)重，提出一種更全面、合理的高溫隧道熱害分級(jí)方法是有必要的。熱害分級(jí)對(duì)降溫措施制定以及施工組織管理提供了理論依據(jù)且具有指導(dǎo)施工的意義。

1 熱環(huán)境評(píng)價(jià)

1.1 熱環(huán)境評(píng)價(jià)的指標(biāo)

在高溫作業(yè)環(huán)境下，人體的生理機(jī)能受到環(huán)境中空氣濕度、空氣溫度、風(fēng)速、輻射熱以及人自身的勞動(dòng)時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度等的影響。國(guó)際上熱環(huán)境評(píng)價(jià)的指標(biāo)主要有以下幾種：

(1)濕球黑球溫度指數(shù)(WBGT)：是由Yaglon和Mainard于1957年提出的[5], 是表示人體接觸生產(chǎn)環(huán)境熱強(qiáng)度的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)指數(shù)。該指數(shù)綜合考慮空氣溫度、濕度、風(fēng)速和輻射熱 4 個(gè)因素，是綜合評(píng)價(jià)人體接觸作業(yè)環(huán)境熱負(fù)荷的一個(gè)較好的指標(biāo)。WBGT采用了自然濕球溫度(tnw)、直徑為150 mm的黑球溫度(ts,該指標(biāo)反映輻射熱)和干球溫度(ta)三種參數(shù),并由下列公式計(jì)算而獲得。

室內(nèi)作業(yè):WBGT=0.7tnw+0.3ts

室外作業(yè):WBGT=0.7tnw+0.2ts+0.1ta

(2)Sreq 指數(shù)(Required Sweatindex)：是通過(guò)計(jì)算和分析人體所必須的出汗率來(lái)評(píng)價(jià)其所在的熱環(huán)境。

(3)生理學(xué)指數(shù) ( Physiological Measurements)：是評(píng)價(jià)人體核心溫度、皮膚溫度、心率、質(zhì)量損失等生理指標(biāo)對(duì)人體影響的方法。

(4)ET 指數(shù)(Effective Temperature)：在較早期由Yaglou和Houghten于1923年提出的，人體在空氣溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速的綜合作用下產(chǎn)生的熱感覺(jué)指標(biāo)，至今被廣泛應(yīng)用[2]。1946年Bedford提出考慮輻射對(duì)ET指標(biāo)進(jìn)行修正，即CET指標(biāo)[5]。

(5)TEQ 指數(shù)：是生理等效溫度指標(biāo)，是人體在氣溫、平均輻射溫度和風(fēng)速的綜合作用下產(chǎn)生的熱感覺(jué)指標(biāo)。

(6)P4SR指數(shù)(Predicted Four-hour Sweat Rate)：是Mcardle等(1947年)根據(jù)身著單衣的男性青年在不同氣象條件和勞動(dòng)強(qiáng)度下所引起出汗量變化的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)而提出的一種方法，是以預(yù)測(cè)4 h出汗率作為指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)勞動(dòng)強(qiáng)度、衣服與濕球溫度的關(guān)系以修正濕球溫度[5]。

(7)熱強(qiáng)度指數(shù)HSI(Heat Stress Index)：是由Belding和Hatch于1959年提出，其方法是將空氣溫度、濕度、輻射熱、風(fēng)速和勞動(dòng)強(qiáng)度幾個(gè)因素綜合考慮在內(nèi)，并以人體機(jī)能所產(chǎn)生的生理反應(yīng)作為計(jì)算依據(jù)。在HIS提出后，許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上不斷充實(shí)，提出了一系列新的指標(biāo)。其中較為完善的一種指標(biāo)為有效熱強(qiáng)度指數(shù)EHSI(Effective Heat strain Index)，其計(jì)算程序主要是依據(jù)輻射、對(duì)流和蒸發(fā)的熱交換方程，同時(shí)結(jié)合人體機(jī)能的新成代謝、出汗等生理反應(yīng)。

不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)有著各自的特點(diǎn)，也有其局限性。將不同的標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)聯(lián)合應(yīng)用，可對(duì)熱環(huán)境尤其是極端熱環(huán)境做出更加準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，并對(duì)可能發(fā)生的熱害進(jìn)行有效的預(yù)防。常用的熱環(huán)境評(píng)價(jià)指數(shù)考慮的因素見(jiàn)表1。

表1 常用的熱環(huán)境評(píng)價(jià)指數(shù)考慮的因素

2.2 國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范

TB 10204-2002《鐵路隧道施工規(guī)范》、JTGF 60-2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》、SL 303-2004《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定隧道內(nèi)氣溫不得超過(guò)28 ℃。《煤礦安全規(guī)程》(2010年頒發(fā)) 規(guī)定，生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過(guò)26 ℃，機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度不得超過(guò) 30 ℃；當(dāng)采掘工作面的空氣溫度超過(guò)30 ℃、機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度超過(guò)34 ℃時(shí)，必須停止作業(yè)。《冶金地下礦山安全規(guī)程》(1990 年頒發(fā)) 規(guī)定:采掘工作面的空氣溫度，不得超過(guò)27 ℃；熱水型礦井和高硫礦井的空氣溫度，不得超過(guò)27.5 ℃。我國(guó)新修訂的GB/T 4200-2008《高溫作業(yè)分級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)[6]中采用了ISO7243中的 WBGT 指數(shù)作為勞動(dòng)安全衛(wèi)生分級(jí)管理標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)與劃分高溫作業(yè)環(huán)境熱強(qiáng)度及其等級(jí)(表2)。

表2 高溫作業(yè)環(huán)境熱強(qiáng)度及其等級(jí)

注：按照WBGT指數(shù)和接觸高溫作業(yè)的時(shí)間將高溫作業(yè)分為四級(jí)，級(jí)別越高表示熱強(qiáng)度越大。

GBZ 2.2-2007《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限制 第2部分：物理因素》規(guī)定：在生產(chǎn)勞動(dòng)過(guò)程中，工作地點(diǎn)平均WBGT指數(shù)≥25 ℃的作業(yè)為高溫作業(yè)。常見(jiàn)職業(yè)體力勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)如表3。

表3 常見(jiàn)職業(yè)體力勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)表

3 高溫隧道熱害等級(jí)劃分

3.1 確定熱害分級(jí)評(píng)價(jià)因素

參考國(guó)內(nèi)外研究及查閱我國(guó)高溫作業(yè)環(huán)境的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)WBGT指數(shù)對(duì)作業(yè)環(huán)境熱負(fù)荷的評(píng)價(jià)較為合理。但是在高熱環(huán)境下，WBGT 指數(shù)不足以合理評(píng)價(jià)工作崗位熱害程度。本文以WBGT指數(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮圍巖內(nèi)部溫度，作業(yè)時(shí)間及強(qiáng)度、作業(yè)人員適應(yīng)能力等，全面、綜合地對(duì)熱害級(jí)別進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)。

結(jié)合隧道施工崗位連續(xù)作業(yè)時(shí)間，參照表2將WBGT指數(shù)按照29 ℃、33 ℃、37 ℃為節(jié)點(diǎn)，劃分4個(gè)區(qū)間((-∞,29]、[29,33)、[33,37)、[37,∞))。參考《鐵路隧道施工規(guī)范》中規(guī)定洞內(nèi)氣溫不能超過(guò)28 ℃，以及《煤炭資源地質(zhì)勘探地溫測(cè)量若干規(guī)定》規(guī)定原始巖溫高于31 ℃ 的地區(qū)為一級(jí)熱害區(qū)，高于 37 ℃ 為二級(jí)熱害區(qū)。將巖壁溫度按28 ℃、31 ℃、37 ℃為節(jié)點(diǎn)，劃分為4個(gè)等級(jí)((-∞,28]、[28,31)、[31,37)、[37,∞))。參考以往隧道圍巖原始巖溫分級(jí)，將圍巖5 m深原始巖溫按節(jié)點(diǎn)31 ℃、37 ℃、45 ℃為節(jié)點(diǎn)劃分為4個(gè)等級(jí)((-∞,31]、[21,37)、[37,45)、[45,∞))。作業(yè)人員對(duì)高溫的適應(yīng)能力是指人機(jī)體對(duì)熱環(huán)境可出現(xiàn)生理、行為、形態(tài)和遺傳方面的適應(yīng)表現(xiàn)，除了受到高溫環(huán)境因素外還受到作業(yè)強(qiáng)度、連續(xù)作業(yè)時(shí)間以及自身衣著情況的影響。本文將人的熱適應(yīng)能力分為強(qiáng)、較強(qiáng)、較弱、弱4個(gè)等級(jí)。將隧道作業(yè)強(qiáng)度分為輕勞動(dòng)、中等勞動(dòng)、重勞動(dòng)、極重勞動(dòng)4個(gè)等級(jí)。把作業(yè)時(shí)間按照小于0.5 h, 0.5～1 h, 1～2 h, 大于2 h分為4個(gè)區(qū)段。考慮衣服熱阻將作業(yè)人員的衣著情況劃分為“半裸”“短衣短褲”“短衣長(zhǎng)褲”“長(zhǎng)衣長(zhǎng)褲”4種情況。綜合以上分析，考慮WBGT指數(shù)、圍巖原始巖溫、洞壁溫度、作業(yè)強(qiáng)度、連續(xù)作業(yè)時(shí)間以及人體自身衣著和耐熱能力等因素，得出一種綜合指數(shù)的熱害等級(jí)劃分方法(表4)。

3.2 計(jì)算隧道熱害分級(jí)因素權(quán)值

權(quán)系數(shù)的確定合理與否將直接影響到評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性[7],本文采用層次分析法來(lái)確定各指標(biāo)的權(quán)重分配問(wèn)題。建立熱害分級(jí)指標(biāo)層次分析模型(圖1)。

由判斷矩陣(1～9)標(biāo)度及其內(nèi)容,按照客觀環(huán)境因素(WBGT指數(shù)X1、5 m深圍巖巖石溫度X2、洞壁溫度X3)權(quán)重高于人為可控因素(勞動(dòng)強(qiáng)度X4、勞動(dòng)時(shí)間X5、衣著狀況X6、自身熱適應(yīng)能力X7)，直接影響因素權(quán)重高于間接因素原則，得出判斷矩陣為:

表4 隧道熱害分級(jí)

圖1 熱害分級(jí)層次分析模型

計(jì)算最大特征λmax=7.047。采用最大特征向量法計(jì)算權(quán)重：

B=(α1,α2,α3,α4,α5,α6,α7)T

AB=λmaxB

λmax=7.047代入求解得：

B=(0.384,0.128,0.192,0.100,0.077,0.055,0.064)T

一致性檢驗(yàn)：

查閱隨機(jī)一致性值可知，判斷矩陣的隨機(jī)一致性RI=1.320，隨機(jī)一致性比率：

0.006<0.1故判斷矩陣具有滿意的一致性。

3.3 熱害分級(jí)評(píng)價(jià)集

評(píng)價(jià)集是對(duì)評(píng)判對(duì)象可能的結(jié)果所組成的集合[8]。本文將熱害由輕到重分為4個(gè)等級(jí)Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ，評(píng)價(jià)集Ⅴ={Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ}，為了量化熱害等級(jí)，對(duì)單因素評(píng)價(jià)集賦值：Id=1,Ⅱd=2,Ⅲd=3,Ⅳd=4；綜合因素評(píng)價(jià)集賦予取值范圍:[1.0,1.5),[1.5,2.5),[2.5,3.5),[3.5,4],分別對(duì)應(yīng)Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ級(jí)熱害(表5)。

影響隧道施工熱環(huán)境的7個(gè)因素可以實(shí)測(cè)或根據(jù)具體實(shí)際情況定義(比如勞動(dòng)強(qiáng)度可根據(jù)崗位作業(yè)性質(zhì)查表3《常見(jiàn)職業(yè)體力勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)表》確定其“輕”“中”“重”“極重”)。根據(jù)表4《熱害預(yù)測(cè)分級(jí)表》，各單因素的的隸屬度即xd，xd∈{Ⅰd,Ⅱd,Ⅲd,Ⅳd}={1,2,3,4},各單因素加以權(quán)重得到綜合因素分級(jí)評(píng)價(jià)：

R=XdB=(x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7)(α1,α2,α3,α4,α5,α6,α7)T

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

豐順?biāo)淼牢挥诿飞强蛯?MSSG-3標(biāo))范圍內(nèi)，進(jìn)口位于梅州市豐順縣建橋鎮(zhèn)，出口位于梅州市豐順縣石聯(lián)村，全長(zhǎng)14 407 m。隧址區(qū)DK48+520～DK54+430、DK54+630～DK55+985、DK58+665～DK60+815段存在高地溫危害，且圍巖為Ⅲ圍巖,施工循環(huán)作業(yè)所占時(shí)間(h)見(jiàn)表6。

表6 豐順?biāo)淼勒锤骷?jí)圍巖每循環(huán)作業(yè)時(shí)間 h

4.2 熱害分級(jí)結(jié)果

根據(jù)表4《隧道熱害分級(jí)表》以及表5《熱害等級(jí)R值判斷》，并結(jié)合隧道溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與工種分析，對(duì)高溫段隧道施工不同循環(huán)作業(yè)的熱害等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中，工作強(qiáng)度按照表3《常見(jiàn)職業(yè)體力勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)表》進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。服裝根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管理要求：鉆孔作業(yè)人員為“半裸”，其余作業(yè)人員為“短衣短褲”。隧道施工組織設(shè)計(jì)中，施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)作業(yè)人員的熱適應(yīng)能力有較高的要求，特別是鉆孔及系統(tǒng)支護(hù)作業(yè)，其作業(yè)人員的熱適應(yīng)能力應(yīng)達(dá)到“強(qiáng)”的要求，而其他作業(yè)人員的熱適應(yīng)能力應(yīng)達(dá)到“較強(qiáng)”的要求。隧道邊墻部位的5 m巖溫值在32～37 ℃。熱害等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表7。

5 結(jié)論

通過(guò)以上分析，得到以下結(jié)論：

(1)在WBGT指數(shù)相同條件下，輕勞動(dòng)、短時(shí)間作業(yè)的熱害等級(jí)與高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的熱害等級(jí)有明顯差別。

(2)客觀環(huán)境因素是熱害等級(jí)評(píng)價(jià)的主導(dǎo)因素(WBGT指數(shù)X1、5 m深圍巖巖石溫度X2、洞壁溫度X3)，因此，在高溫隧道施工過(guò)程中，主要通過(guò)加強(qiáng)通風(fēng)、隔熱、使用冰塊、灑水等措施降低洞室氣溫，以減少客觀環(huán)境中高溫對(duì)作業(yè)人員的健康危害。

表7 隧道正洞各級(jí)圍巖每循環(huán)作業(yè)熱害等級(jí)

(3)人為可控因素(勞動(dòng)強(qiáng)度X4、勞動(dòng)時(shí)間X5、衣著狀況X6、自身熱適應(yīng)能力X7)，仍然是不可忽略的因素。在熱環(huán)境下，合理組織、調(diào)節(jié)、改善人為可控因素，也可以降低客觀高溫環(huán)境的危害等級(jí)。比如，作業(yè)工人穿戴熱阻較小的衣服，組織熱適應(yīng)力強(qiáng)的工人進(jìn)行高強(qiáng)度作業(yè)，以及提高工作效率降低作業(yè)勞動(dòng)時(shí)間等措施，可以達(dá)到降低隧道熱害等級(jí)的目的。