粵北某隧道工程輻射環(huán)境預(yù)測及評價研究

朱樂杰， 關(guān)念云， 馬立奎， 羅媛媛

(1.核工業(yè)二九〇研究所，廣東省環(huán)境保護(hù)研究重點實驗室，廣東 韶關(guān) 512026；2.韶關(guān)市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 韶關(guān) 512026)

粵北某隧道工程輻射環(huán)境預(yù)測及評價研究

朱樂杰1， 關(guān)念云2， 馬立奎1， 羅媛媛1

(1.核工業(yè)二九〇研究所，廣東省環(huán)境保護(hù)研究重點實驗室，廣東 韶關(guān) 512026；2.韶關(guān)市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 韶關(guān) 512026)

輻射環(huán)境影響評價是環(huán)境評價的重要組成部分。針對隧道工程建設(shè)的特點，以粵北某隧道工程為例，對其輻射環(huán)境預(yù)測及其影響評價進(jìn)行研究，構(gòu)建輻射環(huán)境預(yù)測模型，重點預(yù)測隧道內(nèi)γ輻射劑量率、隧道內(nèi)氡釋放量，并利用空氣模型對空氣氡擴(kuò)散進(jìn)行估算。通過輻射照射劑量估算，探討隧道工程對周圍公眾及施工人員輻射照射影響。特別是在鈾礦資源豐富的粵北地區(qū)修建隧道工程時，更有針對性地加強(qiáng)輻射環(huán)境管理，最大限度地減少周圍環(huán)境以及施工人員的輻射影響。

環(huán)境；隧道；輻射；預(yù)測；評價

朱樂杰，關(guān)念云，馬立奎,等.2017. 粵北某隧道工程輻射環(huán)境預(yù)測及評價研究[J].東華理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，40(3)：261-266.

Zhu Le-jie, Guan Nian-yun, Ma Li-kui，et al.2017. Radiation environment forecast and assessment for a northern Guangdong Tunnel project [J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 40(3):261-266.

在粵北山區(qū)、陽江地區(qū)等高輻射環(huán)境本底地區(qū)，民用工程的輻射環(huán)境問題越來越受到重視。在隧道工程中，產(chǎn)生的γ射線與空氣氡會對施工人員造成輻射影響，并且經(jīng)由通風(fēng)管道排往大氣；廢渣石也可能析出氡氣逸散環(huán)境，如遇到放射性核素含量較高的巖體，還會造成環(huán)境γ輻射水平升高；隧道施工廢水處置不當(dāng)也可能對外界局部環(huán)境造成影響。

目前，國內(nèi)文獻(xiàn)及相關(guān)資料在隧道工程施工前對其進(jìn)行輻射環(huán)境的預(yù)測及評價研究較少(陳越等, 2011；邱國華，2009，2008；李旭彤等，2002)，以類比和施工監(jiān)測為主，不成體系。本文通過構(gòu)建隧道工程輻射環(huán)境預(yù)測模型，研究其對周圍環(huán)境及施工人員的輻射影響。

1 隧道工程輻射環(huán)境預(yù)測及評價

以粵北某隧道為例，結(jié)合隧道工程輻射環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查及環(huán)境關(guān)注點，構(gòu)建輻射環(huán)境預(yù)測模型，重點預(yù)測隧道內(nèi)γ輻射劑量率、隧道內(nèi)氡釋放量，探討隧道工程對周圍環(huán)境及施工人員的輻射影響。

1.1 隧道內(nèi)γ輻射水平

隧道工程施工過程中，將產(chǎn)生γ射線對人體造成外照射危害。隧道內(nèi)γ輻射劑量率由式1計算(李德平，1990)：

Da=1.40×105CUnGy/h

(1)

式中，Da為隧道內(nèi)γ輻射劑量率(nGy/h)；CU為巖石(土)中鈾含量(%)。

不同鈾含量地質(zhì)體隧道中γ輻射劑量率估算值見表1。根據(jù)現(xiàn)狀分析，取巖石(土)樣品分析結(jié)果中鈾含量最高值參與計算。隧道掘進(jìn)中γ輻射劑量率估算值在280 nGy/h之內(nèi)，屬于鈾礦床二級表外礦體以下的地質(zhì)體。但是，鈾礦床的分布及礦化是極不均勻的，仍有可能遇到γ輻射劑量率較高區(qū)段。

表1 不同含鈾地質(zhì)體隧道中γ輻射劑量率估算表

備注：0.002%為本研究取樣分析鈾含量最高值，0.03%為邊界品位，0.05%為工業(yè)品位。

1.2 隧道內(nèi)氡釋放量

在隧道掘進(jìn)過程中，隧道內(nèi)氡的主要來源有：①隧道的巖體及礦體；②破碎介質(zhì)(巖石爆堆、崩落區(qū)等)；③礦井水?？拥泪尫诺碾睔庥墒?～5估算。

(1)隧道巖體及礦體釋放氡(QM)。隧道巖體及礦體釋放氡估算方法有兩種：一種根據(jù)已建同類型鈾含量的坑道排風(fēng)斷面監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行類比估算，另一種由隧道掘進(jìn)面挖空區(qū)面積及鈾含量進(jìn)行估算。本研究采用第二種方法進(jìn)行估算。隧道巖體及礦體釋放的氡由式2估算。

QM=S·δS

(2)

式中，QM為隧道巖體及礦體氡釋放量(Bq/s)；S為挖空區(qū)巖體表面積(m2)；δS為單位面積上的氡析出率(Bq/m2s)。

一般的礦層可用半無限延伸礦層來近似計算，用式3估算(張哲， 1982)。

δS=2.59ρ·CU·Kp·Se·(D/λη)1/2

(3)

式中，δS為單位面積上的氡析出率(Bq/m2s)；ρ為巖石密度(g/cm3)，取2.64；Kp為礦石中鈾鐳平衡系數(shù)，取1；Se為射氣系數(shù)，取0.3；D為礦石中氡的擴(kuò)散系數(shù)(cm2/s)，取4.5×10-2cm2/s；λ為氡的衰變常數(shù)(2.1×10-6/s)；η為礦石的孔隙度，取0.01；CU為巖石(土)中鈾含量(%)。

依據(jù)隧道設(shè)計資料，隧道凈高5.0 m，凈寬14.25 m，隧道長為475 m，估算斷面面積71.25 m2，周長38.5 m?？紤]掘進(jìn)中應(yīng)留出襯砌空間，對周長和面積各增加10 %，因此實際取斷面面積78.38 m2，周長42.35 m。對隧道不同掘進(jìn)面時巖體及礦體氡析出量估算見表2。

表2 隧道不同掘進(jìn)面時巖體及礦體氡析出量估算結(jié)果

表2估算是在掘進(jìn)中巖體不進(jìn)行任何襯砌的情況下進(jìn)行的，其釋放量較大。若掘進(jìn)過程中及時對出露巖體進(jìn)行襯砌和通風(fēng)，巖體直接析出氡的量將降低。

(2)松散礦巖堆的氡析出量(QP)。隧道掘進(jìn)中松散礦巖堆的氡析出量是根據(jù)掘進(jìn)面松散的渣石在隧道內(nèi)的儲存、轉(zhuǎn)運期間的總量來計算的，由式4估算。

QP=7.1×10-9×3.7×1010MP·CU·KP·Se·K衰變

(4)

式中，QP為松散礦巖堆的氡析出量(Bq/s)；MP為掘進(jìn)場及轉(zhuǎn)運場礦巖堆積量(t)；CU為松散礦巖堆中的鈾含量(%)；KP為礦石中鈾鐳平衡系數(shù)，取1；Se為射氣系數(shù)，取0.3；K衰變?yōu)殡睆膸r塊析出時的衰變系數(shù)，取0.5。

假設(shè)掘進(jìn)面破碎巖石從掘進(jìn)—運出隧道口的周轉(zhuǎn)量為50 t，因不同隧道掘進(jìn)面周轉(zhuǎn)時間長度不一樣，計算中加入了時間權(quán)重。隧道掘進(jìn)面松散礦巖堆的氡析出量估算值見表3。

表3 掘進(jìn)中松散礦巖堆的氡析出量估算值

(3)隧道涌出水氡析出量(QB)。鈾礦床量為地下水的含氡185～11 100 Bq/L。地下水流出地面并暴露于大氣中后，由于空氣中氡的分壓比巖石裂隙中低得多，水中溶的氡急速析出，表現(xiàn)為水中氡濃度的迅速降低。在流動距離為173 m時，從水中析出的氡達(dá)99.87 %。假設(shè)在施工中的隧道涌水氡濃度為50 Bq/L，水流出巖石裂隙距離≥200 m，水中氡濃度更低可視為氡全部析出，則涌水(1 m3/h)引起的氡析出量為14 Bq/s。

(4)隧道內(nèi)氡析出總量(Q總)。 隧道內(nèi)氡的析出總量為以上三項之和。

Q總=QM+QP+QB

(5)

取隧道掘進(jìn)面巖體及松散巖體堆鈾品位為0.002 %時所計算的氡釋放量和水量為1 m3/h的涌水量為代表值，對隧道掘進(jìn)中隧道氡的總量計算見表4。

表4 隧道氡排放總量

隧道掘進(jìn)中400 m未進(jìn)行任何襯砌向環(huán)境釋放的氡量為1.02×105Bq/s。其中巖體暴露面積比較大，為釋放氡的主要途徑。隧道施工中應(yīng)加強(qiáng)這方面監(jiān)測和監(jiān)督，特別是及時進(jìn)行襯砌和通風(fēng)，進(jìn)行有針對性的降氡。

1.3 空氣氡擴(kuò)散模型估算

1.3.1 估算模式

(1)估算項目。主要為隧道開挖期間析出空氣氡擴(kuò)散對周圍環(huán)境的影響。

(2)評價估算模式。采用《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則——大氣環(huán)境》(HJ2.2—2008)附錄A中推薦估算模式進(jìn)行估算。計算時把隧道口作為點源排放口，采用估算模式中的點源模式進(jìn)行計算。

1.3.2 預(yù)測條件及參數(shù)設(shè)定

(1)源項：見表4。

(2)隧道排風(fēng)口周圍人口與子區(qū)劃分。評價范圍選定為500 m，隧道進(jìn)出口附近分布居民點，居民(樓下村)離某隧道口距離約400 m，受影響人數(shù)約200人。

(3)參數(shù)設(shè)定。以隧道的凈高5.0 m作為排氣筒的高度，以隧道口的等效內(nèi)徑10 m作為排氣筒的內(nèi)徑，隧道口排風(fēng)量以2.16 m3/s計(130 m3/min)，隧道口的溫度以25 ℃。由于隧道處于山區(qū)農(nóng)村地區(qū)，周圍山峰林立，故在預(yù)測時候選擇復(fù)雜地形進(jìn)行預(yù)測，氣象資料參考當(dāng)?shù)貧庀蟛块T發(fā)布的權(quán)威數(shù)據(jù)。

1.3.3 隧道排風(fēng)所致居民區(qū)氡氣濃度

依據(jù)上述預(yù)測條件及參數(shù)，隧道附近的樓下村為本次評價重點。隧道排風(fēng)析出氡濃度計算結(jié)果見表5，在距隧道口400 m的距離處(即樓下村所在位置)氡濃度出現(xiàn)了最高值。

表5 隧道不同掘進(jìn)距離的氡濃度貢獻(xiàn)值

*注：以上計算中鈾含量采用地表放射性水平偏高區(qū)巖石樣分析值：0.002 %

2 輻射劑量預(yù)測及評價

2.1 周圍公眾所受劑量

2.1.1 劑量估算模型

根據(jù)《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB18871—2002)和《電離輻射源與效應(yīng)》(聯(lián)合國原子能輻射委員會2002年報告)，總有效劑量估算公式為：

(6)

(7)

表6 氡子體吸入劑量轉(zhuǎn)換因子

表7 評價區(qū)居民的居留因子

2.1.2 隧道通風(fēng)排氡所致公眾劑量

根據(jù)估算模型計算氡濃度貢獻(xiàn)值，樓下村居民的所受氡子體輻射劑量見表8。

表8 隧道排風(fēng)導(dǎo)致居民吸入氡子體所受個人劑量

由結(jié)果可以看出，如果隧道開挖過程中有400 m未進(jìn)行初襯，那么少年組因隧道施工排風(fēng)吸入氡子體所受的個人劑量最大為0.15 mSv/a，滿足公眾照射劑量約束限值0.3 mSv/a。只要把未初襯的長度縮短到100 m，那么幼兒組、少年組、成年組因隧道施工排風(fēng)吸入氡子體所受的個人劑量就低于0.05 mSv/a。可見，對新開挖的隧道進(jìn)行及時初襯能夠很大程度降低周圍公眾所受的輻射。

因此，隧道開挖過程中，最近村莊居民的輻射劑量滿足公眾照射劑量管理目標(biāo)限值0.3 mSv/a的要求。根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F60—2009)要求，隧道襯砌施工能屏蔽部分輻射，故周圍公眾所受的劑量將降的更低。

2.1.3 隧道施工對周圍居民的其它輻射影響

隧道施工對周圍公眾的其他輻射影響主要為：隧道渣石在地表堆放析出氡，公眾成員在異常渣石的停留所受到的外照射，以及隧道涌水造成的放射性污染。這些均可以判定為短期的。一般地，隧道施工結(jié)束，污染物停止排放，隨之對公眾的影響消失。因此不考慮長期影響。

隧道掘進(jìn)可能會有裂隙水涌出，應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)度對外排涌水中放射性指標(biāo)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，確保外排水達(dá)標(biāo)。本次不考慮隧道排水引起的公眾食入性放射性污染，只考慮隧道口排氡對公眾的影響。

2.2 施工工人所受劑量

(1)隧道施工人員吸入含氡空氣的劑量估算。施工人員吸入氡劑量按式8計算。

D1=0.4CRng·T

(8)

式中，D1為吸入氡劑量(Sv)；0.4為氡與氡子體的平衡比；CRn為隧道氡濃度；g為吸入氡劑量轉(zhuǎn)換因子(g=1.4×10-8Sv/(h·Bq/m3))；T為工作時間(年工作時間取1 000 h)。

(2)隧道施工人員受γ外照的劑量估算。隧道施工人員受γ外照的劑量按式9進(jìn)行計算。

D2=0.7 TH

(9)

式中，D2為受外照的劑量(Sv)；H為γ外照射劑量率(Gy/h)；T為工作時間(年工作時間取1 000 h)。

(3)隧道施工人員輻射劑量估算結(jié)果

隧道γ輻射劑量率見表1，從保守的角度，按隧道內(nèi)可能的最大γ輻射劑量率值(280 nGy/h)計算。隧道施工現(xiàn)場空氣中氡濃度應(yīng)控制在400 Bq/m3以內(nèi)(張哲,1982)。從保守的角度，按空氣氡濃度的最大限值400 Bq/m3計算。

根據(jù)式8與式9，隧道施工人員輻射劑量估算結(jié)果見表9，假設(shè)隧道施工人員在隧道內(nèi)施工按保守值1 000 h/a，所受的全身有效劑量為2.43 mSv/a；其中吸入氡為2.24 mSv/a；γ外照射劑量為0.19 mSv/a。

表9 隧道施工人員輻射劑量估算結(jié)果

從預(yù)測結(jié)果可以看出，施工人員所受劑量未超過5 mSv/a的管理目標(biāo)值，但是，在進(jìn)行該段隧道施工中，為了減少工人的內(nèi)、外照射，要注意施工人員的個人防護(hù)，同時注意通風(fēng)降氡，降低施工人員的受照射劑量。

由于鈾礦地質(zhì)隧道的實踐劑量估算結(jié)果表明，相對氡及其子體所致輻射照射劑量，粉塵影響較小，因此沒有進(jìn)行作業(yè)場中的粉塵吸入劑量估算。但是，隧道粉塵的控制仍應(yīng)列入工作場所的基本要求。

3 結(jié)論

(1)目前，國內(nèi)文獻(xiàn)及相關(guān)資料在隧道工程施工前對其進(jìn)行輻射環(huán)境的預(yù)測及評價研究較少，多以類比和施工監(jiān)測為主。本文通過查閱相關(guān)資料，構(gòu)建隧道工程輻射環(huán)境預(yù)測模型：通過隧道內(nèi)巖石(土)中鈾含量分析，估算隧道內(nèi)γ輻射劑量率；通過分別計算隧道掘進(jìn)過程中巖體及礦體、松散礦巖堆、礦井水等介質(zhì)中釋放的氡總量，利用《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則——大氣環(huán)境》(HJ2.2—2008)附錄A中推薦估算模式，估算周圍環(huán)境的氡排放貢獻(xiàn)值；并利用其預(yù)測數(shù)據(jù)，對周圍居民及施工人員的照射劑量及輻射影響進(jìn)行估算與評價。

(2)根據(jù)放射性調(diào)查數(shù)據(jù)，依據(jù)本文中所列輻射環(huán)境預(yù)測模型，所提及的粵北某隧道輻射環(huán)境，隧道掘進(jìn)中γ輻射劑量率在280 nGy/h之內(nèi)，隧道掘進(jìn)中400 m未進(jìn)行任何襯砌向環(huán)境釋放的氡量為1.02×105Bq/s，在距隧道口400 m的距離處氡排放貢獻(xiàn)值為2.69 Bq/m3。

(3)隧道開挖過程中，預(yù)測隧道附近村莊居民的輻射劑量滿足公眾照射劑量管理目標(biāo)限值0.3 mSv/a的要求。考慮到本次評價時采用了不利條件進(jìn)行估算，并且隧道襯砌施工能屏蔽部分輻射，因此，實際吸入氡子體所受的個人劑量值將小于預(yù)測值，故周圍公眾所受的劑量將降的更低。

(4)從預(yù)測結(jié)果可以看出，施工人員所受劑量未超過5 mSv/a的管理目標(biāo)值。但是，在進(jìn)行該段隧道施工中，為了減少工人的內(nèi)、外照射，要注意施工人員的個人防護(hù)。要降低施工人員的受照射劑量，通風(fēng)降氡應(yīng)該放在首位。

針對放射性環(huán)境特點，以本研究為基礎(chǔ)，進(jìn)一步完善輻射環(huán)境預(yù)測模型，在模型設(shè)計及計算中考慮放射性氣體衰變系數(shù)，以及衰變子體照射等特點，使其更適用于含鈾地質(zhì)隧道、鈾礦山礦坑口(及排風(fēng)口)的輻射環(huán)境預(yù)測及影響評價工作。

陳越, 劉慶成, 鄧居智, 等. 2011. 高速公路輻射環(huán)境評價研究[J]. 東華理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，34(2): 165-167.

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張哲. 1982. 氡的析出與排風(fēng)通風(fēng)[M]. 北京:原子能出版社:78-82.

RadiationEnvironmentForecastandAssessmentforANorthernGuangdongTunnelProject

ZHU Le-jie1, GUAN Nian-yun2, MA Li-kui1, LUO Yuan-yuan1

(1. Reaearch Institute No.290, Key Laboratory on Environmental Protection of Guangdong Province , Shaoguan GD 512026, China; 2. Shaoguan Environmental Monitoring Central Station, Shaoguan GD 512026, China)

Radiation environment impact assessment is an important part of the environment assessment. According to the characteristics of tunnel construction, taking a tunnel project of the Northern Guangdong as an example, the radiation environment forecast and its impact assessment were studied, building the radiation environment prediction model, predicting the γ radiation dose rate of the tunnel and the amount of radon in the tunnel, estimating the diffusion of radon in air by air model, discussing the influence of the tunnel project on the radiation exposure of the surrounding public and construction workers basing on the estimated radiation dose. The radiation environment management could be strengthened. The additional radiation dose of environment and construction workers could be minimized, especially in the uranium-rich Northern Guangdong.

environment; tunnel; radiation; forecast; assessment

P631.6，X837

A

1674-3504(2017)03-0261-06

2016-12-07

朱樂杰(1985—)，男，碩士研究生，工程師，從事環(huán)境監(jiān)測、評價與研究。E-mail：229015878@qq.com

10.3969/j.issn.1674-3504.2017.03.007