鐵路隧道放射性全周期監(jiān)測方法與評價

熊川寶，楊悅，劉自超，何家文，，王進

（1.安徽省核工業(yè)勘查技術(shù)總院 測試中心，安徽 蕪湖 241000；2.安徽省核工業(yè)勘查技術(shù)總院 安徽省放射核素工程研究中心，安徽 蕪湖 241000）

在鐵路隧道施工的過程中，由于受當?shù)貛r性、隧道環(huán)境和地層構(gòu)造等因素的影響，圍巖中天然放射性核素所放出的伽馬射線，隧道掌子面爆破、開挖施工產(chǎn)生的含放射性核素粉塵，隧道巖石和巖石縫隙中的析出氡及氡子體，含放射性的隧道滲出水和施工棄渣等，會對施工人員和周邊環(huán)境產(chǎn)生放射性影響［1-2］。為此，為保障隧道施工和后期運營安全，有必要針對隧道施工的放射性影響開展跟蹤監(jiān)測。

目前，國內(nèi)對于鐵路隧道建設的放射性評價往往是以開展開工前地表監(jiān)測為主，即根據(jù)隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造情況，將隧道沿線地表的伽馬輻射劑量率、土壤氡析出率、空氣氡濃度和水樣總放射性，同鉆孔巖心和洞孔內(nèi)的放射性和核素分析相結(jié)合，綜合評價隧道施工期放射性危害的潛在可能和水平，并基于此提出異常點加密監(jiān)測、通風、濕法作業(yè)、封閉掌子面、個人防護、增加初襯厚度、控制工作時長、及時排水和清運洞渣等放射性工程防治建議，甚至是改線避讓方案。如：肖凡通過對贛南山區(qū)某隧道開展施工前檢測，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)年齡較新的斷裂帶伽馬輻射劑量率和巖心外照射指數(shù)偏高［3］；甘光元等以某地處斷裂帶位置的放射性花崗巖隧道為例，通過分析該隧道施工前不同鉆孔區(qū)的放射性超限水平，評價了隧道洞身二襯混凝土的隔離屏蔽效果，并針對后期施工提出了加強監(jiān)測、隧道防塵、降氡、封閉掌子面、排水及清運洞渣、棄渣利用等多方面的工程建議［4］；M.Y. Hanfi a b 等通過對花崗巖隧道中不同深度的巖石樣品進行核素分析，分析隧道施工過程產(chǎn)生職業(yè)照射和公眾照射的影響［5］；G. Cucchi 等通過測量施工前鉆孔巖心樣品的氡析出率、天然放射性核素含量和伽馬劑量，結(jié)合待挖掘隧道的幾何形狀，通過計算，實現(xiàn)了對隧道后期施工過程中氡濃度的優(yōu)化模擬和評價［6］。

但是受成礦、遷移、吸附和侵蝕等作用以及地質(zhì)構(gòu)造特征的影響，一些分布不均的天然放射性核素異常點可能未在鉆孔分析和地表測量的過程中被發(fā)現(xiàn)和重視，從而對隧道施工過程人員產(chǎn)生放射性損害。為此，有必要從施工前、施工期間和隧道貫通后全周期跟蹤監(jiān)測的角度出發(fā)，通過制定系統(tǒng)、科學的放射性監(jiān)測方案，分析隧道放射性水平，總結(jié)隧道建設各階段的放射性特征。

1 隧道地質(zhì)背景及周邊環(huán)境

本研究實際監(jiān)測對象為福建某雙線高速鐵路隧道建設項目途經(jīng)的兩條連續(xù)花崗巖隧道，隧道A 和隧道B 的位置關(guān)系如圖1 所示，其中，連續(xù)隧道A 里程為DK11+675 到DK19+340，DK14+400 處設有斜井。隧道A 地表覆蓋第四系沖洪積和殘坡積層，下伏地層以燕山期花崗巖、震旦系下統(tǒng)樓子壩群為主，洞身段以穿越燕山期花崗巖（γ）為主。

圖1 隧道A 和隧道B 周邊環(huán)境情況Fig. 1 Surrounding situation of tunnel A and Tunnel B

隧道B 里程為DK19+545 到DK24+964，DK21+350 處設有斜井。隧道B 地表覆蓋第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、角礫土及第四系中更新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)黏土，下伏基巖主要為燕山早期（γ）花崗巖，洞身以穿越燕山早期花崗巖（γ）為主。

隧道途經(jīng)晚元古代—中生代地層及燕山早期侵入巖、晚期侵入巖和樓子壩群。其中，隧道A 沿線與5 條斷層帶相交，分別位于DK12+750、DK14+050、DK15+050、DK16+350 和DK18+225 附近；隧道B 沿線相交的地質(zhì)構(gòu)造中有2個節(jié)理裂隙發(fā)育帶（DK20+400、DK23+100 附近）和3 條斷層帶（DK20+180、DK23+700 和DK24+325）。

隧道施工期間，為短期堆放、回收利用和退役處置隧道施工產(chǎn)生的碎石和廢渣，沿隧道里程依次建設了5個不同規(guī)模的渣場。同時，隧道A 和隧道B 進出口、斜井等開挖區(qū)附近還存在施工人員臨時板房居住區(qū)和少量民房。

2 放射性監(jiān)測方案設計

2.1 質(zhì)量保證

本次放射性調(diào)查評價工作，嚴格按照國家和行業(yè)相關(guān)規(guī)范、標準要求進行，所采用的測量儀器均經(jīng)檢定合格并在有效期內(nèi)使用。同時，為保證數(shù)據(jù)采集的準確性，所使用的多功能劑量率儀、便攜式伽馬能譜儀等設備開工前，均選擇項目所在地周邊遠離城鎮(zhèn)的一處空曠、讀數(shù)相對穩(wěn)定、環(huán)境影響較小原野地帶，作為基準點，測定基準值。此后，每天開工前和收工后回到該點分別讀取多組數(shù)據(jù)，取其平均值與基準值對比，進行長期穩(wěn)定性檢查。僅當滿足EJ/T 363—2012“伽瑪能譜儀各道計數(shù)率的相對誤差在±15 %之內(nèi)”［7］以及HJ 61—2021“計量器具核查誤差超過15 %時，儀器應停用，檢查原因”［8］，儀器合格，方能出勤。

2.2 監(jiān)測方案設計

結(jié)合HJ 61—2021［8］，根據(jù)施工進度，設計隧道放射性監(jiān)測方案，經(jīng)專家組評審通過后執(zhí)行（表1）。1）施工前：對隧道、周邊人居環(huán)境和擬設渣場地等區(qū)域進行放射性監(jiān)測，了解隧道地表放射性分布規(guī)律及潛在照射情況，為施工過程管理和貫通驗收評價提供數(shù)據(jù)參考；2）施工期間：根據(jù)隧道開挖進度，按進度對隧道及周邊人居環(huán)境進行放射性跟蹤檢測，及時提出輻射防護措施及建議，保障施工人員和周邊環(huán)境安全；3）隧道貫通后：已完成施工的隧道進行全面放射性水平檢測，保證投入使用前輻射水平恢復至安全標準以下。

表1 隧道監(jiān)測方案Table 1 Tunnel monitoring scheme

2.3 樣品采集與處理

隧道、周邊環(huán)境、渣場的采樣工作均按相關(guān)規(guī)范要求進行，并執(zhí)行嚴格的質(zhì)控措施。其中，隧道巖石、土壤樣品主要采集爆破后靠近巖壁部分的多塊碎石，用地質(zhì)樣品袋混合裝樣送檢；渣場巖石、土壤樣品則主要采集經(jīng)破碎后待回收利用的不同粒徑碎石進行分析，以確保棄渣的安全使用和處置。

地表水采樣使用塑料桶進行采集，容器預先用（1+10）的鹽酸洗滌后，再用凈水沖洗干凈，蓋上待用。采樣時，優(yōu)先選擇水庫和河流等公共水源、居民生活用水（井水）和隧道巖壁滲出水，用待采水樣洗滌三次后開始采集。取樣后，抽取適量樣進行水中氡濃度分析后，在樣品中加入硝酸（1+1），蓋嚴密封后，同巖石樣運回實驗室分析。

2.4 測量儀器及方法

伽馬劑量率采用FH 40G+FHZ 672E-10型多 功 能 劑 量 率 儀 進 行 測 量（ 美 國THERMOFISHER），每個監(jiān)測點記錄10個離地1 m 數(shù)據(jù)，將平均值作為該點位代表值；現(xiàn)場土壤巖石比活度測量使用RS230型便攜式伽馬能譜儀進行（美國RSI），測量時間為120 s；空氣氡、水中氡和土壤氡析出率采用RAD 7型氡測量儀進行（美國DURRIDGE）進行測量；總α、總β 采用BH 1216-Ⅲ型二路低本底α、β 測量儀測量（中國中核控制）；巖石、土壤樣品中的鐳（226Ra）、釷（232Th）和鉀（40K）采用寬能型低本底高純鍺伽馬能譜儀進行測量（ 美國CANBERRA，分辨率1.66 KeV@1332 KeV，探測效率63.3 %@1352 KeV）；水中鈾采用WGJ-Ⅲ型激光測鈾儀測量（中國大吉光電）。

2.5 主要計算方法

1）人員受伽馬輻射外照射劑量估算根據(jù)TB 10027—2022 計算［9］：

式（1）中：H—有效劑量當量，Sv；Dγ—環(huán)境地表伽馬輻射空氣吸收劑量率，Gy·h-1；k—有效劑量當量率與空氣吸收劑量率比值（0.7 Sv·Gy-1）；t—環(huán)境中停留時間，h。

2）人員吸入氡附加內(nèi)照射劑量按公式（2）計算：

式（2）中：D—氡吸入所致附加劑量，Sv；0.4—氡與氡子體的平衡比；C氡—氡濃度增量，Bq·m-3；g—吸入氡劑量轉(zhuǎn)換因子；t—接觸時間，h。

3）放射性核素濃度所致內(nèi)照射指數(shù)和外照射指數(shù)根據(jù)GB 6566—2010 計算［10］：

式（3）和（4）中：CRa、CTh和CK分別為巖石、土壤中放射性核素226Ra、232Th 和40K 的放射性比活度，Bq·kg-1；200、370、260 和4 200分別為各核素單獨存在時的規(guī)定限值，Bq·kg-1。

2.6 評價標準與限值

為保證施工人員、公眾健康，減輕施工環(huán)境污染，嚴格按照國家相關(guān)規(guī)定和標準，對各項放射性參數(shù)進行監(jiān)測和分析。隧道內(nèi)各放射性指標執(zhí)行標準及限值如表2 所示。

表2 隧道放射性監(jiān)測相關(guān)參數(shù)及標準限值Table 2 Standard limits of radioactivity for the tunnel monitoring

3 監(jiān)測結(jié)果

3.1 隧道放射性

為分析和掌握施工前、施工期和隧道貫通后三個階段，隧道內(nèi)放射性變化規(guī)律，保障施工人員和周邊環(huán)境安全。項目組根據(jù)隧道施工進度，對隧道開挖區(qū)掌子面伽馬輻射劑量率，226Ra、232Th、40K 比活度和空氣氡濃度進行測量，相關(guān)調(diào)查結(jié)果見表3。其中，施工期隧道內(nèi)空氣氡濃度在正常通風條件下測量（采用大型風機將新鮮空氣送至距作業(yè)面30～50 m 的范圍）；隧道貫通后時，隧道內(nèi)未安裝主動通風系統(tǒng)，在自然通風條件下進行測量。

表3 施工前后隧道放射性調(diào)查結(jié)果對比Table 3 Radioactivity comparison of tunnel before and after construction

3.2 渣場放射性

為保護環(huán)境，實現(xiàn)資源的有效利用，隧道開挖區(qū)的渣石將就近運往渣場1、渣場2、渣場3、渣場4 和渣場5 進行集中堆放，并根據(jù)渣石內(nèi)、外照射指數(shù)情況，按GB 6566—2010 篩選，用于隧道內(nèi)路面鋪設或圍巖澆筑，以提高復用率，減少棄渣量和生態(tài)損害。但考慮到渣石氡氣析出和沖刷廢水外排對環(huán)境的不良影響，仍有必要按季度對渣場外運碎石/覆土、流出水進行采樣分析（表4）。

表4 施工前后渣場放射性調(diào)查結(jié)果對比Table 4 Radioactivity comparison of spoil area before and after construction

3.3 周邊環(huán)境放射性

為分析和評價施工過程對周邊居民區(qū)和生活區(qū)的影響，周邊人居環(huán)境1～5 按季度檢測所得伽馬輻射劑量率和空氣氡濃度結(jié)果如表5 所示。

表5 施工前后周邊人居環(huán)境放射性調(diào)查結(jié)果對比Table 5 Radioactivity comparison of surrounding area before and after construction

3.4 取樣分析結(jié)果

為提高分析結(jié)果的準確性和全面性，本次放射性監(jiān)測還采集隧道內(nèi)、隧道外渣場和周邊人居環(huán)境渣石和裂隙水送實驗室分析，結(jié)果見表6。

表6 施工前后取樣分析結(jié)果對比Table 6 Comparison of sampling analysis results before and after construction

4 結(jié)果分析

4.1 隧道放射性

4.1.1 隧道放射性影響評價

按施工人員每天工作8 h 計算，其年（365 d）隧道內(nèi)停留時間為2 920 h，則施工期間，隧道A 和隧道B 對施工人員所致附加外照射年均有效劑量分別為0.30 和0.17 mSv。同時，分別代入施工期隧道A 和隧道B 空氣氡濃度平均增量182.5 和91.7 Bq·m-3，則隧道空氣氡所致施工人員內(nèi)照射年均有效劑量分別為1.85×10-3和9.32×10-4mSv。綜上所述，施工期施工人員所受內(nèi)、外照射之和小于“施工人員年有效劑量限值5 mSv/a”劑量約束值要求［11］，施工期隧道放射性總體安全。

隧道貫通后，由于高速鐵路穿行時間較快，且車廂封閉，隧道放射性對車廂內(nèi)乘客影響基本可以忽略，主要關(guān)注對象為隧道運維期間的檢修人員。按年最大檢修時長60 d、一天工作8 h計算，則檢修人員隧道內(nèi)停留時間為480 h，隧道A 和隧道B 對檢修人員所致附加外照射年平均有效劑量分別為0.04 和0.02 mSv。同時，代入隧道貫通后時相應的空氣氡濃度平均增量（隧道A：131.7 Bq·m-3，隧道B：49.6 Bq·m-3），則隧道A 和隧道B 對檢修人員所致外照射年平均有效劑量為2.20×10-4和8.29×10-5mSv?？梢?，隧道貫通運營期間，檢修人員所受內(nèi)、外照射之和滿足“公眾0.25 mSv·a-1”的劑量約束值要求，施工期隧道放射性總體安全。

4.1.2 隧道放射性隨施工期變化

對比施工前、施工期和 隧道貫通后隧道放射性檢測結(jié)果，可以看出，隧道A 和隧道B 的地表伽馬輻射劑量率和空氣氡濃度符合“施工期＞隧道貫通后＞施工前背景”的規(guī)律，這主要是因為施工期隧道內(nèi)空間相對封閉、掌子面花崗巖裸露、隧道內(nèi)破碎渣石、揚塵等因素的影響，隧道內(nèi)伽馬空氣吸收劑量率和空氣氡濃度比較突出［12-13］。隨著隧道貫通竣工，受隧道支護結(jié)構(gòu)和表面混凝土的密封屏蔽作用，隧道貫通后時的空氣伽馬吸收劑量率和空氣氡濃度較施工期有所降低。

同時，對比不同施工階段隧道A 和隧道B施工前、施工期和隧道貫通后的伽馬輻射劑量率范圍以及標準偏差，可以看出，施工期隧道內(nèi)伽馬輻射劑量率波動更加明顯（隧道A 標準偏差：37.7、85.0 和22.0 nGy·h-1，隧道B 標準偏差：27.9、66.3 和20.7 nGy·h-1），即，地下施工過程中，異常點位出現(xiàn)的可能性更高，人員更有可能受到異常照射。為此，在開展隧道放射性評價時，采用全周期監(jiān)測的方法，相較于僅簡單進行施工前地表監(jiān)測或終態(tài)驗收檢測，更為科學合理。

4.1.3 隧道放射性來源分析

為分析和了解隧道內(nèi)放射性主要來源，根據(jù)隧道地質(zhì)構(gòu)造情況，對施工期隧道A 和隧道B 的伽馬輻射劑量率、伽馬能譜結(jié)果進行了分類統(tǒng)計，結(jié)果見表7?？梢姡淼纼?nèi)伽馬劑量率在燕山早期第三階段的巖體中最高，基本表現(xiàn)出“燕山早期花崗巖＞輝綠玢巖＞燕山晚期＞震旦系樓子壩群千枚巖/變質(zhì)砂巖/板巖”的規(guī)律［14-15］。結(jié)合對伽馬能譜分析，隧道伽馬劑量率主要受燕山早期第三階段巖體中鈾含量較高的影響，其次是釷含量的影響，同鉀含量的相關(guān)性不大。

表7 隧道放射性水平同地層/構(gòu)造的關(guān)系Table 7 Relationship between tunnel radioactivity and strata/structure

4.2 渣場放射性

施工期和隧道貫通后時，5個渣場地表伽馬輻射劑量率與相應的施工前地表伽馬輻射劑量率監(jiān)測結(jié)果基本相當，未引起周邊劑量率明顯變化，屬正常水平?？鄢鄳鼒鍪┕で暗牡乇碣ゑR輻射劑量率均值后，附加最大吸收劑量率為146 nGy·h-1，滿足EJ/T 977—1995 規(guī)定的“項目竣工后渣場吸收劑量率扣除本底后不應超過174 nGy·h-1”的規(guī)范要求［16］。

根據(jù)HJ 53—2000 表1 和2 基于年劑量約束值為0.1 mSv·a-1所導出的土壤中剩余放射性可接受水平［17］，按公眾執(zhí)行0.25 mSv·a-1的年劑量約束值，則渣場區(qū)域232Th 含量應低于157.5 Bq·kg-1，238U 含量應低于65 Bq·kg-1?？梢?，扣除施工前平均本底后，渣場區(qū)域土壤中剩余放射性可接受水平滿足標準開放要求。

隧道貫通后渣場氡析出率滿足GB 23727—2020 規(guī)定的“項目竣工后渣場氡析出率不應超過0.74 Bq·m-2·s-1”的規(guī)范要求［18］。對比施工各階段渣場氡析出率檢測結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，施工期由于堆放隧道外運渣土/石，氡析出率較施工前存在增加。而隨著項目完工整治，渣土/石的重復使用或覆土掩埋，渣場氡析出率恢復至施工前相當水平。同時，根據(jù)表4，隧道貫通后渣場238U 含量扣除施工前均值73.2 Bq·kg-1后，相應的238U 含量范圍介于0～77.5 Bq·kg-1之間，按“自然條件下鈾鐳長期平衡，母體和子體的放射性活度相等”［19］，所得的226Ra 含量范圍介于0～0.078 Bq·g-1之間，導出的任何100 m2范圍內(nèi)土層中226Ra 的平均活度濃度扣除當?shù)乇镜字岛筮h低于0.18 Bq·g-1，滿足GB 23727—2020 規(guī)范要求。

4.3 周邊環(huán)境放射性

隧道A 和隧道B 施工期和隧道貫通后周邊人居環(huán)境伽馬輻射劑量率和空氣氡濃度與施工前監(jiān)測結(jié)果基本相當，屬正常水平。

4.4 取樣分析結(jié)果

根據(jù)施工期隧道掘進過程中掌子面碎石的取樣檢測結(jié)果，隧道A、隧道B、渣場巖石取樣內(nèi)/外照射指數(shù)范圍滿足GB 6566—2010 中對“建筑主體材料應同時滿足IRa≤1.0 和Iγ≤1.0”的相關(guān)要求，因此，施工過程中可根據(jù)相關(guān)要求，對隧道采空區(qū)渣石盡量進行復用，以減少堆放量，降低棄渣石大量堆放帶來的環(huán)境風險和安全風險。

同時，在流出物方面，施工期隧道、周邊人居環(huán)境地表水和地下水鈾濃度滿足GB 23727—2020 規(guī)定的“0.3 mg·L-1”限值，總α、總β 濃度滿足GB/T 14848—2017 中“Ⅲ類地下水，總α 放射性指導值0.5 Bq·L-1、總β 放射性指導值1.0 Bq·L-1”的要求［20］。隧道貫通后取樣分析結(jié)果也表明：隧道渣場和周邊環(huán)境各指標未出現(xiàn)超標，滿足后續(xù)開放要求。

5 結(jié) 論

結(jié)合質(zhì)量保證措施和監(jiān)測方案設計，本研究按施工前、施工期和隧道貫通后三個階段，對福建某雙線高速鐵路隧道建設項目途經(jīng)的兩條連續(xù)花崗巖隧道，進行多放射性指標全周期監(jiān)測。研究結(jié)果表明：

1） 施工期和隧道貫通后，隧道及周邊場所放射性屬正常范圍，且施工期施工人員和運營后檢修人員所受附加內(nèi)、外照射劑量之和滿足相關(guān)限值要求。

2） 隧道伽馬輻射劑量率和空氣氡濃度符合“施工期＞隧道貫通后＞施工前背景”的規(guī)律，且施工期伽馬劑量率幅度變化較大。

3） 隧道內(nèi)伽馬劑量率主要受燕山早期第三階段巖體中U 含量較高的影響，其次是Th 含量的影響，同K 含量的相關(guān)性不大，基本表現(xiàn)出“燕山早期花崗巖＞輝綠玢巖＞燕山晚期花崗巖＞震旦系樓子壩群千枚巖/變質(zhì)砂巖/板巖”的規(guī)律。

4） 采取全周期監(jiān)測能更為有效地獲取隧道建設階段的放射性變化規(guī)律和特征，避免傳統(tǒng)沿線地表放射性監(jiān)測或鉆孔監(jiān)測造成的異常點忽視，實時給出放射性工程防治建議，保障隧道施工和后期運營安全。