高速铁路隧道有毒物质环境下修建技术研究

0引言

杭黄铁路天目山隧道施工过程中遇到有毒物质，造成作业人员眼结膜充血、皮疹和皮肤脱落等急性刺激性伤害，经监测发现存在放射性，氡气、SO2、NO2、CO有害气体及隧道粉尘中有害物质钒等。在铁路建设中出现的不明伤害，主要由瓦斯、H2S、SO2、放射性和粉尘等引起，直接影响人身安全和工程建设。目前，国内外学者对含有瓦斯和H2S气体地层的隧道研究较多，但关于放射性的研究和施工经验较少，且研究主要集中在施工防护措施上。刘富强等[1]针对天池水电站地下洞室群岩壁氡气析出，从喷浆覆盖、通风降氡和个人辐射防护3方面进行控氡抑氡。陈汉宁等[2]针对隧道氡气质量浓度超标，拟定了机械通风、自动喷淋、佩戴口罩和防护服等一系列降低氡气质量浓度的综合防护措施。廉国斌等[3]分析了地下工程内部环境中氡气的主要来源，通过消除氡源、选用符合放射性要求的建筑材料、隔离氡气渗入途径和通风排氡等措施来降低氡气的质量浓度。有毒物质及辐射环境隧道施工关键技术除了采用被动防护措施外，还应重点研究主动防护，把有毒物质和辐射及时隔离在隧道施工空间以外，尽量避免和减少有毒物质和辐射对隧道空间环境的侵害。随着交通事业的发展，将会越来越多地遇到类似的复杂地质条件，因此，查明伤害原因，采取有效的主动防范措施，研究解决这一难题对有毒地质条件下施工及运营安全具有重要意义。

本文通过监测分析有毒物质的性质及分布，采用资料调研、现场监测、理论计算、数值模拟和现场试验等方式，研究主动防护隔离手段，采取了超前周边预注浆、隧道结构加强、气密性混凝土、喷雾降尘、施工通风及施工监测等一系列措施，创新研发了金属钒的快速监测和现场施工通风控制方法，研究了施工废水和废砟处理措施。与以往的研究成果相比，本文相对系统地提出了有毒物质和辐射环境下隧道修建技术，实现施工中有毒物质及辐射的及时预警，以确保施工安全和进度，保证运营安全。

1工程概况

杭黄铁路天目山隧道位于天目山山脉西南，隧址区起于浙江省淳安县临歧镇徐家庄村，止于安徽省歙县三阳乡黄坞村，进出口里程分别为DK201+823、DK213+836，全长12 013 m。隧道出口段最高山峰海拔标高1 140 m，最低沟谷海拔标高375 m，地形陡峻、地质构造复杂，地层岩性主要为寒武系下统荷塘组(∈1h)、震旦系上统皮园村组(Z2p)。

通过监测分析，隧道中有毒物质主要是放射性核素，氡气、SO2、NO2、CO等有害气体以及粉尘中有害物质钒等，分布情况如下[4-8]：

1) DK213+000～+840段属于偏铀型高背景区，隧道地表放射性核素238U 比活度为 21.8～2 341.3 Bq/kg，平均值为236.3 Bq/kg，高于全国平均值39.5 Bq/kg，原因是隧道地表岩层主要为寒武系炭质泥岩，核素铀的底数较高，系炭质泥岩吸附铀所致，局部地段断裂构造发育，氡气运移条件较好，局部地段形成氡气的富集。地表土壤中氡气质量浓度为518～135 930 Bq/m3，平均氡气质量浓度为25 690 Bq/m3，高于GB —2010《民用建筑工程室内污染控制规范》要求的限值20 000 Bq/m3。

隧道内掌子面附近岩石内照射指数IRa为2.34～2.86，外照射指数Iγ为1.57～1.78，均大于《民用建筑工程室内污染控制规范》标准中要求的IRa≤1.3、Iγ≤1.0限值。此段隧道内掌子面附近岩石不可作为民用建筑工程地基回填使用。

2)岩石及隧道粉尘中有害物质主要为钒[9-10]。地层岩石中有较高含量的钒元素(化合物)，在隧道施工过程中以粉尘的方式进入施工环境，个别粉尘样品含量高达1 379.81 mg/kg，均值为764.8 mg/kg，隧道空气中钒最高质量浓度达到77.88 μg/m3，为职业接触限值的1.6倍。

3)岩石中硫及硫化物含量较高，爆破施工时产生大量SO2、NO2及CO。在掌子面(DK212+571.7)、仰拱(DK212+655.6)、二次衬砌(DK212+712.3)处监测SO2、NO2、CO有害气体质量浓度。放炮前、放炮后及通风后监测显示： SO2质量浓度分别为0.730～0.923、6.19～7.32、0.501～0.697 mg/m3；CO质量浓度分别为2.9～5.5、269～327、5.8～11.2 mg/m3。3处放炮后均超过限值，但通风降尘后未超限。NO2质量浓度分别为0.465～0.655、1.43～1.88、0.140～0.312 mg/m3，均未超限。

SO2、CO等有害气体对环境污染最大，放炮后其质量浓度是限值的几十倍；放射性及氡气对施工人员危害最大；粉尘中的有害物质钒次之。

2有毒物质防治措施

2.1超前周边预注浆

DK213+400～+700段DK213+650处为F1断层破碎带及其影响带(见图1)，围岩较为破碎，氡气局部富集，容易氡气析出。采用超前周边注浆加固封堵围岩破碎带[11]，减少岩层裂隙，降低渗透系数，可有效阻止氡气的大量逸出。

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