高速鐵路隧道有毒物質(zhì)環(huán)境下修建技術(shù)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(zhì)，造成作業(yè)人員眼結(jié)膜充血、皮疹和皮膚脫落等急性刺激性傷害，經(jīng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)存在放射性，氡氣、SO2、NO2、CO有害氣體及隧道粉塵中有害物質(zhì)釩等。在鐵路建設(shè)中出現(xiàn)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(shè)。目前，國內(nèi)外學(xué)者對含有瓦斯和H2S氣體地層的隧道研究較多，但關(guān)于放射性的研究和施工經(jīng)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(fēng)降氡和個人輻射防護3方面進(jìn)行控氡抑氡。陳漢寧等[2]針對隧道氡氣質(zhì)量濃度超標(biāo)，擬定了機械通風(fēng)、自動噴淋、佩戴口罩和防護服等一系列降低氡氣質(zhì)量濃度的綜合防護措施。廉國斌等[3]分析了地下工程內(nèi)部環(huán)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(fēng)排氡等措施來降低氡氣的質(zhì)量濃度。有毒物質(zhì)及輻射環(huán)境隧道施工關(guān)鍵技術(shù)除了采用被動防護措施外，還應(yīng)重點研究主動防護，把有毒物質(zhì)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(zhì)和輻射對隧道空間環(huán)境的侵害。隨著交通事業(yè)的發(fā)展，將會越來越多地遇到類似的復(fù)雜地質(zhì)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(zhì)條件下施工及運營安全具有重要意義。

本文通過監(jiān)測分析有毒物質(zhì)的性質(zhì)及分布，采用資料調(diào)研、現(xiàn)場監(jiān)測、理論計算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗等方式，研究主動防護隔離手段，采取了超前周邊預(yù)注漿、隧道結(jié)構(gòu)加強、氣密性混凝土、噴霧降塵、施工通風(fēng)及施工監(jiān)測等一系列措施，創(chuàng)新研發(fā)了金屬釩的快速監(jiān)測和現(xiàn)場施工通風(fēng)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(tǒng)地提出了有毒物質(zhì)和輻射環(huán)境下隧道修建技術(shù)，實現(xiàn)施工中有毒物質(zhì)及輻射的及時預(yù)警，以確保施工安全和進(jìn)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(qū)起于浙江省淳安縣臨歧鎮(zhèn)徐家莊村，止于安徽省歙縣三陽鄉(xiāng)黃塢村，進(jìn)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(biāo)高1 140 m，最低溝谷海拔標(biāo)高375 m，地形陡峻、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層巖性主要為寒武系下統(tǒng)荷塘組(∈1h)、震旦系上統(tǒng)皮園村組(Z2p)。

通過監(jiān)測分析，隧道中有毒物質(zhì)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(zhì)釩等，分布情況如下[4-8]：

1) DK213+000～+840段屬于偏鈾型高背景區(qū)，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(zhì)泥巖，核素鈾的底數(shù)較高，系炭質(zhì)泥巖吸附鈾所致，局部地段斷裂構(gòu)造發(fā)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(zhì)量濃度為518～135 930 Bq/m3，平均氡氣質(zhì)量濃度為25 690 Bq/m3，高于GB 50325—2010《民用建筑工程室內(nèi)污染控制規(guī)范》要求的限值20 000 Bq/m3。

隧道內(nèi)掌子面附近巖石內(nèi)照射指數(shù)IRa為2.34～2.86，外照射指數(shù)Iγ為1.57～1.78，均大于《民用建筑工程室內(nèi)污染控制規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中要求的IRa≤1.3、Iγ≤1.0限值。此段隧道內(nèi)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(zhì)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(jìn)入施工環(huán)境，個別粉塵樣品含量高達(dá)1 379.81 mg/kg，均值為764.8 mg/kg，隧道空氣中釩最高質(zhì)量濃度達(dá)到77.88 μg/m3，為職業(yè)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(chǎn)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(jiān)測SO2、NO2、CO有害氣體質(zhì)量濃度。放炮前、放炮后及通風(fēng)后監(jiān)測顯示： SO2質(zhì)量濃度分別為0.730～0.923、6.19～7.32、0.501～0.697 mg/m3；CO質(zhì)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(fēng)降塵后未超限。NO2質(zhì)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(huán)境污染最大，放炮后其質(zhì)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(zhì)釩次之。

2 有毒物質(zhì)防治措施

2.1 超前周邊預(yù)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(shù)，可有效阻止氡氣的大量逸出。

根據(jù)周邊預(yù)注漿控氡機制，采用有限元法建立隧道斷層破碎帶處的數(shù)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(nèi)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(fēng)、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(zhì)圖

表1氡氣析出量減少百分比計算結(jié)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(jié)范圍為開挖輪廓線外3 m，如圖2所示。每一循環(huán)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(nèi)打設(shè)檢查孔，監(jiān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)[12-13]。

2.2.1 氣密性混凝土

影響氣密性混凝土配制的參數(shù)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(jìn)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(jù)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(jīng)測試，其透氣系數(shù)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(jié)構(gòu)

隧道內(nèi)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(jù)試驗，混凝土對γ射線的吸收規(guī)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(zhì)量吸收系數(shù)；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(dāng)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(guān)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(zhì)表面覆蓋1層均勻介質(zhì)的覆蓋層。按圖5選取計算坐標(biāo)，射氣介質(zhì)和覆蓋層中氡氣質(zhì)量濃度分布可用下列方程描述。

圖5 覆蓋層計算坐標(biāo)

1)在半無限大射氣介質(zhì)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(zhì)中的擴散系數(shù)，cm2/s；C1為射氣介質(zhì)中氡氣的孔隙質(zhì)量濃度，Bq/cm3；ν為射氣介質(zhì)和覆蓋層中的滲流速度，cm/s；λ為氡氣的衰變常數(shù)，1/s；η1為射氣介質(zhì)的孔隙度；a1為不射氣介質(zhì)產(chǎn)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(shù)，cm2/s；C2為覆蓋層中氡氣的孔隙質(zhì)量濃度，Bq/cm3；η2為覆蓋層的孔隙度；x0為覆蓋層的厚度，cm。

經(jīng)計算，襯砌厚度與氡氣析出率的規(guī)律曲線見圖6。隨著襯砌厚度的增加，隧道洞內(nèi)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(jīng)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?；炷羶?nèi)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(tǒng)水封爆炸方法，研究采用化學(xué)水袋和化學(xué)水炮泥聯(lián)合充填炮眼，大幅降低開挖爆炮時的粉塵，平均降塵效率達(dá)48%。

2)經(jīng)試驗對比，采用并用式通風(fēng)方式能較快地將有害物質(zhì)排出[14]。規(guī)范規(guī)定最小排塵風(fēng)速為0.15 m/s，適合粒徑小于5 μm的微細(xì)粉塵。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)存在粒徑為5～50 μm的有害釩粉塵。假設(shè)粉塵為球狀，通?？諝饫@過球形粉塵處于紊流狀態(tài)，根據(jù)雷諾數(shù)試驗，按式(4)計算，得粒徑小于50 μm 粉塵的排塵最小允許風(fēng)速為0.75 m/s。

(4)

式中：vmin為最小允許風(fēng)速，m/s;K為修正系數(shù)，一般隧道內(nèi)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(shù), kg·s/m2。

為有效降低粉塵質(zhì)量濃度，最小排塵風(fēng)速采用0.75 m/s，同時開發(fā)一套施工通風(fēng)現(xiàn)場控制方法，實現(xiàn)對風(fēng)機的及時調(diào)控，有效降低了有害氣體質(zhì)量濃度，達(dá)到職業(yè)接觸限值要求，減少了人員投入，節(jié)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?shù)慕稽c為起點，噴嘴沿隧道環(huán)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(fēng)和噴霧灑水組合降塵效率達(dá)70%以上，空氣中氡氣質(zhì)量濃度降低13.3%左右。

4)成立放射性物質(zhì)監(jiān)測小組，定期監(jiān)測并形成記錄，隨時監(jiān)控有毒物質(zhì)數(shù)據(jù)。研究發(fā)明了隧道施工環(huán)境中金屬釩的快速監(jiān)測方法，取代了傳統(tǒng)實驗室取樣分析方法，實現(xiàn)在線監(jiān)測。

5)施工期間規(guī)定開挖支護作業(yè)時間，作業(yè)人員定期體檢，施工完成后跟蹤體檢。施工人員根據(jù)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?guī)r炭質(zhì)泥巖，含硫量較高，施工產(chǎn)生的粉塵、廢砟經(jīng)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(biāo)[15]。在天目山隧道出口設(shè)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(diào)節(jié)沉淀斜板隔油池—氣浮過濾一體化設(shè)備—深度處理設(shè)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(dá)標(biāo)后排放。施工過程中監(jiān)控廢水水質(zhì)及水量，確保達(dá)標(biāo)排放。

3.2 隧道棄砟處理

隧道棄砟存在放射性，應(yīng)及時掩埋封閉處理，按規(guī)范要求設(shè)置獨立棄砟場，遠(yuǎn)離村民住宅、農(nóng)田及水源等敏感構(gòu)筑物，做好基底固化和防水處理。

1)為防止氡氣析出，棄砟應(yīng)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(shè)置復(fù)合隔水層(見圖10)，復(fù)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(fù)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(fù)耕或撒播草籽、喬灌結(jié)合綠化。

4 實施效果

1)施工中采取通風(fēng)和噴霧灑水等措施后，監(jiān)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(zhì)量濃度30 min內(nèi)降至1 mg/m3和1.1 mg/m3，低于國家檢出限值。隧道貫通后監(jiān)測有害氣體、粉塵和釩，在自然風(fēng)的作用下，質(zhì)量濃度均低于檢出限值，對鐵路運營及養(yǎng)護不產(chǎn)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(nèi)氡子體α潛能質(zhì)量濃度基本處于痕量范圍，最大值為0.01 μJ/m3。

根據(jù)照射總劑量的估算模型H總=H內(nèi)(α)+H外(式中：H內(nèi)(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(biāo)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(guī)定》不超過0.25 mSv的規(guī)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(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中總α為0.5 Bq/L、總β為1.0 Bq/L的限量標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論與建議

針對天目山隧道有毒物質(zhì)，施工中采取二次襯砌結(jié)構(gòu)加強、內(nèi)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(shù)，減少了氡氣逸出； 采用水封爆炸技術(shù)、通風(fēng)控制技術(shù)、金屬釩快速在線監(jiān)測方法和噴霧降塵措施等，有效控制了有毒物質(zhì)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(zhì)量濃度異常情況進(jìn)行施工工區(qū)劃分，對工區(qū)細(xì)分為不同等級的地段，一種地段對應(yīng)一種結(jié)構(gòu)措施，從而使設(shè)計更科學(xué)合理。同時,建議進(jìn)一步總結(jié)積累類似天目山隧道有毒物質(zhì)環(huán)境下的設(shè)計和施工經(jīng)驗，形成相應(yīng)規(guī)范規(guī)程，彌補標(biāo)準(zhǔn)體系的空白。