高速鐵路隧道有毒物質環境下修建技術研究

俞 峰

(杭黃鐵路有限公司, 安徽 黃山 245000)

0 引言

杭黃鐵路天目山隧道施工過程中遇到有毒物質，造成作業人員眼結膜充血、皮疹和皮膚脫落等急性刺激性傷害，經監測發現存在放射性，氡氣、SO2、NO2、CO有害氣體及隧道粉塵中有害物質釩等。在鐵路建設中出現的不明傷害，主要由瓦斯、H2S、SO2、放射性和粉塵等引起，直接影響人身安全和工程建設。目前，國內外學者對含有瓦斯和H2S氣體地層的隧道研究較多，但關于放射性的研究和施工經驗較少，且研究主要集中在施工防護措施上。劉富強等[1]針對天池水電站地下洞室群巖壁氡氣析出，從噴漿覆蓋、通風降氡和個人輻射防護3方面進行控氡抑氡。陳漢寧等[2]針對隧道氡氣質量濃度超標，擬定了機械通風、自動噴淋、佩戴口罩和防護服等一系列降低氡氣質量濃度的綜合防護措施。廉國斌等[3]分析了地下工程內部環境中氡氣的主要來源，通過消除氡源、選用符合放射性要求的建筑材料、隔離氡氣滲入途徑和通風排氡等措施來降低氡氣的質量濃度。有毒物質及輻射環境隧道施工關鍵技術除了采用被動防護措施外，還應重點研究主動防護，把有毒物質和輻射及時隔離在隧道施工空間以外，盡量避免和減少有毒物質和輻射對隧道空間環境的侵害。隨著交通事業的發展，將會越來越多地遇到類似的復雜地質條件，因此，查明傷害原因，采取有效的主動防范措施，研究解決這一難題對有毒地質條件下施工及運營安全具有重要意義。

本文通過監測分析有毒物質的性質及分布，采用資料調研、現場監測、理論計算、數值模擬和現場試驗等方式，研究主動防護隔離手段，采取了超前周邊預注漿、隧道結構加強、氣密性混凝土、噴霧降塵、施工通風及施工監測等一系列措施，創新研發了金屬釩的快速監測和現場施工通風控制方法，研究了施工廢水和廢砟處理措施。與以往的研究成果相比，本文相對系統地提出了有毒物質和輻射環境下隧道修建技術，實現施工中有毒物質及輻射的及時預警，以確保施工安全和進度，保證運營安全。

1 工程概況

杭黃鐵路天目山隧道位于天目山山脈西南，隧址區起于浙江省淳安縣臨歧鎮徐家莊村，止于安徽省歙縣三陽鄉黃塢村，進出口里程分別為DK201+823、DK213+836，全長12 013 m。隧道出口段最高山峰海拔標高1 140 m，最低溝谷海拔標高375 m，地形陡峻、地質構造復雜，地層巖性主要為寒武系下統荷塘組(∈1h)、震旦系上統皮園村組(Z2p)。

通過監測分析，隧道中有毒物質主要是放射性核素，氡氣、SO2、NO2、CO等有害氣體以及粉塵中有害物質釩等，分布情況如下[4-8]：

1) DK213+000～+840段屬于偏鈾型高背景區，隧道地表放射性核素238U 比活度為 21.8～2 341.3 Bq/kg，平均值為236.3 Bq/kg，高于全國平均值39.5 Bq/kg，原因是隧道地表巖層主要為寒武系炭質泥巖，核素鈾的底數較高，系炭質泥巖吸附鈾所致，局部地段斷裂構造發育，氡氣運移條件較好，局部地段形成氡氣的富集。地表土壤中氡氣質量濃度為518～135 930 Bq/m3，平均氡氣質量濃度為25 690 Bq/m3，高于GB 50325—2010《民用建筑工程室內污染控制規范》要求的限值20 000 Bq/m3。

隧道內掌子面附近巖石內照射指數IRa為2.34～2.86，外照射指數Iγ為1.57～1.78，均大于《民用建筑工程室內污染控制規范》標準中要求的IRa≤1.3、Iγ≤1.0限值。此段隧道內掌子面附近巖石不可作為民用建筑工程地基回填使用。

2)巖石及隧道粉塵中有害物質主要為釩[9-10]。地層巖石中有較高含量的釩元素(化合物)，在隧道施工過程中以粉塵的方式進入施工環境，個別粉塵樣品含量高達1 379.81 mg/kg，均值為764.8 mg/kg，隧道空氣中釩最高質量濃度達到77.88 μg/m3，為職業接觸限值的1.6倍。

3)巖石中硫及硫化物含量較高，爆破施工時產生大量SO2、NO2及CO。在掌子面(DK212+571.7)、仰拱(DK212+655.6)、二次襯砌(DK212+712.3)處監測SO2、NO2、CO有害氣體質量濃度。放炮前、放炮后及通風后監測顯示： SO2質量濃度分別為0.730～0.923、6.19～7.32、0.501～0.697 mg/m3；CO質量濃度分別為2.9～5.5、269～327、5.8～11.2 mg/m3。3處放炮后均超過限值，但通風降塵后未超限。NO2質量濃度分別為0.465～0.655、1.43～1.88、0.140～0.312 mg/m3，均未超限。

SO2、CO等有害氣體對環境污染最大，放炮后其質量濃度是限值的幾十倍；放射性及氡氣對施工人員危害最大；粉塵中的有害物質釩次之。

2 有毒物質防治措施

2.1 超前周邊預注漿

DK213+400～+700段DK213+650處為F1斷層破碎帶及其影響帶(見圖1)，圍巖較為破碎，氡氣局部富集，容易氡氣析出。采用超前周邊注漿加固封堵圍巖破碎帶[11]，減少巖層裂隙，降低滲透系數，可有效阻止氡氣的大量逸出。

根據周邊預注漿控氡機制，采用有限元法建立隧道斷層破碎帶處的數值分析模型，計算出不同注漿厚度下氡氣析出量減少百分比，見表1。注漿厚度為3 m時，隧道內析出的氡氣減少39.19%，在3～6 m時，氡氣析出明顯變緩。因隧道總體析出的氡氣較小，綜合考慮通風、噴霧灑水等措施，注漿厚度為3 m時滿足要求。

圖1 F1斷層地質圖

表1氡氣析出量減少百分比計算結果

Table 1 Calculation results of percentage reduction of radon exhalation

注漿厚度/m減少百分比1.023.871.528.062.032.102.535.813.039.193.541.774.043.714.545.975.047.425.549.036.050.32

超前注漿加固圈固結范圍為開挖輪廓線外3 m，如圖2所示。每一循環注漿長度約為30 m。按注漿孔擴散半徑2 m，孔底間距3 m布置，采用純水泥漿液(水灰比1∶1)。注漿完成后，在開挖輪廓線范圍內打設檢查孔，監測注漿效果，檢查完后，及時采用M10水泥砂漿全孔封堵檢查孔。

2.2 隧道結構加強

為有效防止射線照射及氡氣逸出，研究混凝土氣密性和加強隧道襯砌結構[12-13]。

2.2.1 氣密性混凝土

影響氣密性混凝土配制的參數主要有水膠比、用水量、氣密劑摻量、砂率和減水劑摻量等。綜合分析，采用正交試驗方法按5因素3水平進行試驗考察，共計18組試驗，因素水平安排表見表2。

圖2 注漿鉆孔正面示意圖 (單位： cm)

表2 因素水平安排表

注： 膠凝材料由水泥及粉煤灰組成，粉煤灰用量占膠凝材料總量的20%。

5種因素對混凝土氣密性的影響程度見圖3。其中氣密劑摻量影響最大，根據正交試驗得到氣密性混凝土最佳配合比，即水膠比為0.36，單方用水量為150 kg，氣密劑摻量為10%，砂率為42%，減水劑摻量為1.4%。經測試，其透氣系數為0.6×10-13cm/s。

圖35種因素對混凝土氣密性影響曲線

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

f2.2.2 隧道襯砌結構

隧道內的輻射主要有: 1)圍巖本身放射性核素直接釋放出的α、β和γ射線； 2)圍巖壁析出的氡氣。本次研究射線屏蔽和氡氣析出阻斷機制，以確定隧道襯砌厚度。

2.2.2.1 射線屏蔽

α射線是氦核，β射線是電子流，穿透能力均不強，主要是屏蔽γ射線。根據試驗，混凝土對γ射線的吸收規律服從

I=I0e-σρx。

(1)

式中：I為γ射線通過混凝土后的強度；I0為γ射線通過混凝土前的強度；σ為混凝土對射線的質量吸收系數；ρ為混凝土的密度；x為混凝土的厚度。

計算得γ輻射強度的衰減率變化趨勢見圖4。隨著混凝土厚度增加，γ射線強度明顯衰減，當混凝土厚度為40 cm時，基本衰減完。

圖4 混凝土厚度和γ射線強度衰減率的關系

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

2.2.2.2 氡氣析出阻斷

圍巖壁的氡氣析出可看作只有一個暴露表面的無限巖體，襯砌可視作在半無限大均勻多孔介質表面覆蓋1層均勻介質的覆蓋層。按圖5選取計算坐標，射氣介質和覆蓋層中氡氣質量濃度分布可用下列方程描述。

圖5 覆蓋層計算坐標

1)在半無限大射氣介質中，x>x0,有方程

(2)

2)在覆蓋層中，0

(3)

式中：D1為氡氣在射氣介質中的擴散系數，cm2/s；C1為射氣介質中氡氣的孔隙質量濃度，Bq/cm3；ν為射氣介質和覆蓋層中的滲流速度，cm/s；λ為氡氣的衰變常數，1/s；η1為射氣介質的孔隙度；a1為不射氣介質產生可移動氡氣的能力，Bq/(s·cm3);D2為氡氣在覆蓋層中的擴散系數，cm2/s；C2為覆蓋層中氡氣的孔隙質量濃度，Bq/cm3；η2為覆蓋層的孔隙度；x0為覆蓋層的厚度，cm。

經計算，襯砌厚度與氡氣析出率的規律曲線見圖6。隨著襯砌厚度的增加，隧道洞內氡氣的析出量逐漸減小，襯砌厚度為40～60 cm時，氡氣析出率下降量明顯減少，綜合考慮安全性和經濟性，襯砌厚度宜取40～45 cm。

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

綜上研究，二次襯砌采用C35素混凝土,拱墻厚度為40 cm，仰拱厚度為45 cm。混凝土內按10%摻加氣密劑，混凝土添加35 kg/m3氣密劑。隧道二次襯砌示意圖見圖7。

圖7 隧道二次襯砌示意圖 (單位： cm)

2.3 施工防護措施

1)改變傳統水封爆炸方法，研究采用化學水袋和化學水炮泥聯合充填炮眼，大幅降低開挖爆炮時的粉塵，平均降塵效率達48%。

2)經試驗對比，采用并用式通風方式能較快地將有害物質排出[14]。規范規定最小排塵風速為0.15 m/s，適合粒徑小于5 μm的微細粉塵。監測發現隧道內存在粒徑為5～50 μm的有害釩粉塵。假設粉塵為球狀，通常空氣繞過球形粉塵處于紊流狀態，根據雷諾數試驗，按式(4)計算，得粒徑小于50 μm 粉塵的排塵最小允許風速為0.75 m/s。

(4)

式中：vmin為最小允許風速，m/s;K為修正系數，一般隧道內取4.57；d為粉塵的粒徑，μm;γs為粉塵的密度，kg/m3；γ為空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；μ為空氣動力黏滯系數, kg·s/m2。

為有效降低粉塵質量濃度，最小排塵風速采用0.75 m/s，同時開發一套施工通風現場控制方法，實現對風機的及時調控，有效降低了有害氣體質量濃度，達到職業接觸限值要求，減少了人員投入，節約了工程成本。

3)采用噴霧灑水措施，研究確定最佳噴霧布置。以隧道橫斷面中線與拱頂的交點為起點，噴嘴沿隧道環向左右對稱布置，噴嘴之間夾角15°，布置9個噴嘴，降塵效果明顯。通風和噴霧灑水組合降塵效率達70%以上，空氣中氡氣質量濃度降低13.3%左右。

4)成立放射性物質監測小組，定期監測并形成記錄，隨時監控有毒物質數據。研究發明了隧道施工環境中金屬釩的快速監測方法，取代了傳統實驗室取樣分析方法，實現在線監測。

5)施工期間規定開挖支護作業時間，作業人員定期體檢，施工完成后跟蹤體檢。施工人員根據隧道施工位置和工種以及輻射強度，采取佩戴防護口罩、手套等防護措施，必要時，采取佩戴防毒面具、護目鏡等更高防護級別的防護措施。

3 隧道廢水、棄砟處理措施

3.1 隧道廢水處理

隧道穿過灰巖炭質泥巖，含硫量較高，施工產生的粉塵、廢砟經噴霧降塵和水沖洗后，廢水中含有硫化物，隧道裂隙水中含有放射性，造成水中的總α和總β超標[15]。在天目山隧道出口設置廢水處理池，廢水處理流程(見圖8)為： 酸堿中和—硫化物處理—調節沉淀斜板隔油池—氣浮過濾一體化設備—深度處理設備—清水池。

圖8 廢水處理流程示意圖

采用FeCl3處理硫化物，采用PAC(聚合氯化鋁)和 PAM(聚丙烯酰胺)組合投放處理懸浮物、油類等，采用活性炭濾罐過濾處理水中的總α放射性及總β放射性，處理達標后排放。施工過程中監控廢水水質及水量，確保達標排放。

3.2 隧道棄砟處理

隧道棄砟存在放射性，應及時掩埋封閉處理，按規范要求設置獨立棄砟場，遠離村民住宅、農田及水源等敏感構筑物，做好基底固化和防水處理。

1)為防止氡氣析出，棄砟應分層填筑，分層厚度不大于2 m，每2 m鋪砌1層50 cm厚的黏土層。棄砟場示意見圖9。

(a) 剖面示意圖

(b) 橫斷面圖

2)砟場底部設置復合隔水層(見圖10)，復合隔水層為50 cm厚黏土層+1層土工布+50 cm厚黏土層。

圖10 棄砟場底部復合隔水層

3)砟場表面和邊坡采用清淤棄土或清除的地表種植土、表土等，覆土厚度不少于0.5 m，復耕或撒播草籽、喬灌結合綠化。

4 實施效果

1)施工中采取通風和噴霧灑水等措施后，監測有害氣體均未超限；實測仰拱和二次襯砌臺車處含釩粉塵，質量濃度30 min內降至1 mg/m3和1.1 mg/m3，低于國家檢出限值。隧道貫通后監測有害氣體、粉塵和釩，在自然風的作用下，質量濃度均低于檢出限值，對鐵路運營及養護不產生危害。

2)襯砌前后的γ輻射劑量率對比測試見圖11，襯砌后γ輻射劑量率大幅減小，為0.08～0.15 μSv/h，均值為0.12 μSv/h。貫通后隧道內氡子體α潛能質量濃度基本處于痕量范圍，最大值為0.01 μJ/m3。

根據照射總劑量的估算模型H總=H內(α)+H外(式中：H內(α)為氡及其子體吸入人體后造成的α輻射；H外為外照度γ輻射劑量)。以全年工作360 d，每天8 h計，貫通后施工人員總照射年有效劑量為0.386 mSv，低于目標管理限值1 mSv。

圖11 襯砌前后γ輻射劑量率對比

3)棄砟場γ輻射對一般公眾照射所致年吸收劑量為0.07～0.18 mSv，滿足GB 9132—1988《低中水平放射性固體廢物的淺層處置規定》不超過0.25 mSv的規定。

4)水中總α測定范圍為0.087～0.433 Bq/L，總β測定范圍為0.075～0.586 Bq/L，均小于GB 5749—2006《生活用水衛生標準》中總α為0.5 Bq/L、總β為1.0 Bq/L的限量標準。

5 結論與建議

針對天目山隧道有毒物質，施工中采取二次襯砌結構加強、內摻氣密劑增加混凝土氣密性、在氡氣易析出段落采取超前注漿等措施，降低了巖體滲透系數，減少了氡氣逸出； 采用水封爆炸技術、通風控制技術、金屬釩快速在線監測方法和噴霧降塵措施等，有效控制了有毒物質影響，確保了施工和鐵路運營維護安全。

建議今后對隧道所處地層含氡氣質量濃度異常情況進行施工工區劃分，對工區細分為不同等級的地段，一種地段對應一種結構措施，從而使設計更科學合理。同時,建議進一步總結積累類似天目山隧道有毒物質環境下的設計和施工經驗，形成相應規范規程，彌補標準體系的空白。