某鐵路隧道項目施工過程氡來源及濃度影響因素研究

［關(guān)鍵詞］氡；隧道施工；析出率；輻射防護；通風(fēng)

氡（222Rn）是一種無色、無味的放射性氣體，由于氡氣吸入后產(chǎn)生的短壽命衰變子體及其釋放的α粒子，會增加接觸者患肺癌的概率，1988年被世界衛(wèi)生組織列為1類致癌物[1]。在隧道掘進過程中，由于隧道內(nèi)新暴露巖石增多、滲水積水問題明顯、單向掘進通風(fēng)較差、生產(chǎn)性粉塵濃厚居高不下等原因，氡的放射性危害占其他各項因素總和的50%以上，是隧道施工中的重要防控指標[2]。圍繞隧道內(nèi)氡濃度影響，各國研究者進行了大量研究。王曙光等[3]構(gòu)建了氡在破碎花崗巖山體及巷道中的運移和析出數(shù)值計算模型后發(fā)現(xiàn)，氡在巷道圍巖運移主要通過擴散和滲流作用，而在通風(fēng)微正壓環(huán)境下，氡的運移受通風(fēng)、圍巖和氡衰變的共同影響。Chauhan R.P等[4]測量了土壤、粉煤灰、沙子、水泥等建材內(nèi)的氡擴散系數(shù)和氡擴散長度，結(jié)果表明建材的孔隙率和晶粒尺寸對氡析出率有顯著影響。Li X.Y等[5]分析了花崗巖、凝灰?guī)r、石英砂巖、石灰?guī)r、安山斑巖5種地質(zhì)特征隧道內(nèi)的氡水平，發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)氡水平依次增加，且地質(zhì)特性會影響隧道內(nèi)氡濃度隨季節(jié)的變化規(guī)律。葉勇軍等[6]分析了水底介質(zhì)氡析出率、氡傳輸速度、水中擴散系數(shù)及水體深度對水中氡濃度及水體表面氡析出率的影響，結(jié)果表明，水中氡濃度及水體表面氡析出率同氡傳輸速度、水底介質(zhì)氡析出率、水體深度及水中擴散系數(shù)呈正相關(guān)。吳文浩[7]通過理論分析、試驗研究和數(shù)值模擬，研究了圓管狀多孔射氣介質(zhì)內(nèi)氡的運移和析出規(guī)律，發(fā)現(xiàn)滲流存在時，高壓側(cè)表面的氡析出率隨滲流速度的增大而減少，低壓側(cè)表面的氡析出率隨滲流速度的增大而增大。Yang J.M等[8]基于為期兩年的氡析出率現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，土壤含水量增加到10％時，氡析出率達到最大值，隨后濕度增加會抑制氡的析出，此外，氣溫對氡析出率存在明顯的正效應(yīng)，土壤溫度則存在負效應(yīng)，而氣壓的影響較低。

本文結(jié)合國內(nèi)外研究成果和筆者的工程實踐經(jīng)驗，淺析了某鐵路隧道施工中氡的來源及濃度影響因素，以幫助提升隧道施工各環(huán)節(jié)222Rn的濃度監(jiān)測水平，將受到的氡危害限制在監(jiān)管水平以下，保障隧道施工進度。

1 . 工程概況

某鐵路隧道建設(shè)項目，初步設(shè)計批復(fù)概算總額80.79億元，全長64.336 km，含2座共4.735 km的隧道。隧道施工采用風(fēng)槍濕式打孔、反臺階法光面爆破、內(nèi)燃挖掘機出渣的方式，襯砌與掘進同時進行，途經(jīng)的地層巖性主要包括花崗巖、黏性土、砂巖、頁巖。根據(jù)《花崗巖隧道放射性影響評價報告》，兩座隧道的部分區(qū)段存在放射性大于約束值的情況，為評價放射性水平對隧道施工、運營的影響，對該項目重點區(qū)段開展在建期間的放射性監(jiān)測。

2. 隧道施工中的氡來源

由于氡在礦石內(nèi)部的擴散系數(shù)僅為10^-25m²·s^-1～10^-27 m²·s^-1，擴散率較低，可不考慮[9]。因此，可將隧道施工過程中環(huán)境氡的主要來源分為圍巖巖性、破碎礦石、圍護結(jié)構(gòu)和隧道滲出水四類。

2.1 圍巖巖性

隧道掘進過程中，圍巖的巖性是決定隧道施工中氡濃度的主要因素。一方面，巖體不同，含有的天然放射性核素的種類、含量以及²²²Rn量不同；另一方面，由于氡的析出過程與圍巖巖體粒徑、含水量、孔隙度和疏密度等屬性有關(guān)，圍巖的巖性也會使得氡析出率受到極大的影響。

2.2 破碎礦石

隧道掘進過程中，炸藥裝填爆破產(chǎn)生碎片狀礦石，暴露面積增加，巖土礦物中的放射性氡更容易受內(nèi)外作用力影響而遷移至外界介質(zhì)，從而增加隧道中的氡濃度[10]。同時，爆破過程還會使得掌子面圍巖的裂縫增加，增加氡在空氣和水體中擴散、遷移途徑，提升氡的析出率。

2.3 圍護結(jié)構(gòu)

隧道施工中，為保證隧道采空區(qū)的穩(wěn)定，需要利用摻配添加劑的混凝土，配合鋼材，對拱頂空洞和隧道基底進行注漿。而由于圍護結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)的不同，其原材料中鐳的含量和屏蔽效果也會有所不同，從而影響已建隧道內(nèi)的氡析出率。

2.4 隧道滲積水

降雨和地表水滲入產(chǎn)生的地下水在重力作用下流過礦體時，會通過溶解作用將巖體孔隙、裂隙內(nèi)的氡或其他放射性核素遷移出去，形成氡濃度較高的滲出水。而氡在水中和空氣中的平衡濃度比約為0.3[11]，因此，流入巷道的富氡水將成為隧道內(nèi)氡的主要來源之一。

3 . 隧道空氣中氡濃度的影響因素

隧道施工中，巷道內(nèi)空氣中氡濃度主要受三個方面的影響：①核素含量、孔隙度、粒徑形狀、鐳分布和含水量等巖層特性；②隧道內(nèi)氣壓、溫度、通風(fēng)等作業(yè)環(huán)境；③鉆孔、爆破、噴漿等施工作業(yè)方法。

3.1 巖層特性

除了圍巖和碎石中鐳含量的影響，巖礦特性同樣會對掌子面附近的氡析出率形成較大的影響。因為隨著礦體孔隙度、粒徑、含水量、形狀、元素組成和分布等特性的變化，其孔隙和微裂隙等表面結(jié)構(gòu)和組分也會有較大的不同，從而影響氡在礦物表體的富集和析出行為[12]。如：①含煤礦體的鐳釷鉀含量相對較高，但其氡析出率較低，而在花崗巖中，氡的遷移十分顯著；研究表明，在砂巖型和頁巖型中，氡析出率也存在明顯的差別，分別為18.5 Bq·m^-2·s^-1 和5 Bq·m^-2·s^-1；[13]②隨著礦石粒徑的減少，氡析出率也會明顯增加；③隧道內(nèi)滲出水內(nèi)的氡濃度會受地下水流量、理化性質(zhì)、穿過巖層的特性以及停留時間的影響；④由于氡氣釋放動能在干濕礦體中的差異，圍巖含水量的變化對氡的析出過程也有著重要作用，一般情況下，巖石礦物中氡析出率隨著含水量的增加而增加，達到一定的飽和水平后，隨著含水量增加而降低。

3.2 作業(yè)環(huán)境

隧道施工過程中，為保證作業(yè)環(huán)境，會采用軸流風(fēng)機改善隧道內(nèi)氣流特征。一方面，通風(fēng)能促進外部新鮮空氣與內(nèi)部富氡氣體的交換和稀釋，并隨著風(fēng)速的增加，降低隧道內(nèi)氡濃度；另一方面，通風(fēng)方式的選擇，會對巷道內(nèi)的氣壓形成影響。例如，當(dāng)隧道外通風(fēng)關(guān)閉3 h左右，隧道內(nèi)氡濃度約增加1600%；而正壓通風(fēng)相比負壓通風(fēng)，能有效降低20%左右的隧道氡濃度[14]。

此外，隧道內(nèi)的溫度大小，會對分子熱運動產(chǎn)生影響。隨著溫度升高，氡在巖石礦物中的吸附能力降低，氡析出速度增大。但由于隧道環(huán)境溫度較為穩(wěn)定，這一影響僅需在爆破作業(yè)或通風(fēng)關(guān)閉時考慮。

3.3 施工作業(yè)方法

鉆孔、爆破、噴漿、運輸、排水、防水等隧道施工作業(yè)方法對隧道內(nèi)氡濃度同樣有著重要影響。例如：爆破作業(yè)會對隧道內(nèi)氣流形成不同程度的擾動，且形成粒度大小完全不同的碎石，從而出現(xiàn)氡的突然釋放，導(dǎo)致巷道內(nèi)氡濃度突然升高[15]；鉆孔和清渣運輸過程中，產(chǎn)生的揚塵和泥漿，會增加隧道內(nèi)氡的析出；鉆孔會引起巖層空穴中積累氡的突然釋放；采用管道就近導(dǎo)出，能有效降低隧道內(nèi)氡濃度；為降塵和清洗進行的噴灑或濕式作業(yè)，能有效降低隧道內(nèi)氡濃度；采用土壤、黏土、防水板和混凝土等不同的密封性材料，隧道內(nèi)氡的擴散系數(shù)能明顯下降。

4. 隧道中氡濃度水平的控制

考慮到氡的放射性危害，需要對隧道內(nèi)的施工環(huán)境和放射性水平進行控制。從氡的來源和濃度影響因素兩個方面出發(fā)，將氡濃度水平控制手段可分為污染源防堵、優(yōu)化通風(fēng)方案兩個方面：

4.1 污染源防堵

氡主要來自礦體中已有的氡及核素衰變產(chǎn)生的氡，為此，可針對圍巖巖性、破碎礦石、圍護結(jié)構(gòu)和隧道滲出水四個主要的氡污染源采取控制手段，從而在源頭上減少氡的遷移和析出。常見的手段可包括：①隧道施工前，加強地質(zhì)調(diào)查，盡量選擇氡潛勢較低且地質(zhì)巖性較好的地區(qū)規(guī)劃隧道建設(shè)；②隧道建設(shè)過程中的掘進方案，要科學(xué)設(shè)計，減少灰塵和低粒度碎石，降低氡的表面析出率；③在圍護結(jié)構(gòu)的選材和設(shè)計，以及布設(shè)方式和時間上，要加強投入。盡量選用密封性好、含鐳較少的圍護材料，并及時對新暴露的掌子面進行屏蔽處理；④隧道內(nèi)滲水和積水及時清理，且盡量采取管道運排的輸運方式。

4.2 優(yōu)化通風(fēng)方案

氡作為一種氣態(tài)污染物，主要以吸入的方式進入人體。因此，通過安裝風(fēng)機加強隧道內(nèi)外空氣的強迫對流，引入新鮮空氣稀釋和置換隧道內(nèi)的富氡氣體，是一種見效快、效果好、成本低、易操作的方法。但隧道通風(fēng)的效果，同隧道通風(fēng)方式的選擇、通風(fēng)管道的布設(shè)、通風(fēng)流量的設(shè)計、通風(fēng)距離的調(diào)控、持續(xù)通風(fēng)的時長等都存在較大的關(guān)聯(lián)，因此，必須通過科學(xué)和合理的設(shè)計，強化隧道內(nèi)通風(fēng)的效果。具體包括：①斜井位置的選擇應(yīng)盡量選擇換流較大且空氣清新的區(qū)域；②應(yīng)盡量保證通風(fēng)的持續(xù)性，減少故意或意外的關(guān)停；③爆破工作后，不立即進行人工施工作業(yè)；④通風(fēng)管道的布設(shè)不宜過長，且離掌子面的距離不宜太遠；⑤隧道內(nèi)可加裝各類針對氡氣體和揚塵的空氣凈化裝置等等。

5. 結(jié)論

加強隧道施工中氡的來源與濃度影響途徑研究，對控制隧道作業(yè)的輻射環(huán)境水平、保障隧道施工人員的健康具有重要意義。本文綜述了隧道施工中氡析出來源及析出率研究成果，結(jié)合某鐵路隧道建設(shè)項目，總結(jié)了隧道施工中空氣中氡的主要來源及其濃度影響因素，提出了污染源防堵和優(yōu)化通風(fēng)方案兩個方面的氡濃度水平控制策略，為探明隧道氡污染機制、改善氡污染控制手段、保障隧道施工，提供理論和實踐指導(dǎo)。