赣南山区铁路隧道放射性评价及影响评估.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202303012开放科学（资源服务）标识码（OSID）赣南山区铁路隧道放射性评价及影响评估肖 凡（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063）摘要：针对赣南山区铁路下东村隧道、机木山隧道可能存在的放射性不良地质风险，对两隧道洞身开展了地表放射性探测、空气中氡浓度测量、钻孔岩心 辐射剂量率测量、钻孔岩心氡析出率测量、岩心取样化验等检测工作。研究表明：大部分测试结果如隧道洞身范围内职业照射年有效剂量当量、空气中氡浓度、岩心氡析出率均在正常水平，但机木山隧道钻孔岩心 辐射剂量率及岩心外照射指数存在数据异常，一方面是因为该隧道所穿行的岩体较为年轻，另一方面是由以断裂构造为主的深部热液通道所致。通过计算分析确定两隧道施工期和运营期相关人员所受照射剂量较小，建议施工人员加强工程措施防护，并对隧道开挖过程中遇到的岩性接触带、层间破碎带、断层破碎带处加强放射性监测。关键词：下东村隧道；机木山隧道；放射性；检测；照射剂量；施工期；运营期中图分类号：U25文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)04 0160 07 0 引言放射性是山区铁路特别是隧道工程的主要不良地质之一，伽马辐射剂量过高、氡气浓度过大时，会对人体产生致癌作用1，对隧道的施工和运营维护存在较大风险。国内针对多条山区铁路可能存在放射性问题的段落进行了勘察评价工作：针对集宁通辽铁路蒙根塔拉至大板段放射性问题说明了放射性评价的基本方法、步骤和程序2；系统论述了怀邵衡铁路不同方案的铀矿辐射水平，对两个线路方案进行了详细比选3；针对昌景黄铁路局部线路段中潜在的放射性风险对选线及工程施工提供了依据指导4。下东村隧道（起讫里程 DK368+520.0DK369+487.5）、机木山隧道（起讫里程 DK396+145.7DK402+366.0）为赣南山区长赣铁路的主要隧道，隧道洞身主要穿越多期次花岗岩。由于花岗岩的成因和类型多样，是放射性元素的主要载体之一5，且隧道所处的赣南地区铀矿含量丰富，为全面评价两隧道洞身范围内的放射性水平，有必要采用多手段联合的方法（地表测试、岩心测试、岩心取样化验等）对洞身开展综合放射性检测，并根据检测结果评估其对铁路施工期、运营期相关人员的影响。1 检测方法及结果 1.1 地表放射性探测在隧道洞身地表上方一定高度处，周围物质中的天然核素和人工核素都会产生一定的 射线，形成 射线场。针对隧道洞身花岗岩地层，重点对下东村隧道洞身 DK368+520DK369+470、机木山隧道洞身 DK398+500DK399+500 穿越的花岗岩地层进行了 辐射剂量率地表放射性勘查，测点距离为 5 m。隧道地质纵断面，见图 1。对外业采集到的数据进行分段（以 100 m 为一单元段），进行数理分析统计，各测段数据通过经验公式换算为国际单位制的职业照射年平均有效剂量当量，见表 1。对外业采集所得的数据进行数理分析统计，计算得出两隧道测区内职业照射年有效剂量当量的背景值分别为=0.022 1/0.024 9（mSv/year），标准偏差分别为 0.000 1/0.000 4。根据铁路工程不良地质勘察规程（TB 100272022）关于 场根据 背景值 和标准偏差 划分为正常场、偏高场、高场、异常场的条件6，本次测量结果：下东村隧道正常场范围为 0.022 2 共 99 个测点，偏高场范围为 0.022 20.022 3 共 0 个测点，高场范围为 0.022 30.022 4 共 22 个测点，异常场 收稿日期：2023 06 06作者简介：肖凡（1993），男，贵州晴隆人。工程师，硕士，主要从事岩土工程勘察、路基设计方面的工作。E-mail：。路基工程 160 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）范围为 0.022 4 共 70 个测点；机木山隧道正常场范围为 0.025 3 共 119 个测点，偏高场范围为0.025 30.025 7 共 26 个测点，高场范围为0.025 70.026 1 共 5 个测点，异常场范围为 0.026 1 共 51 个测点。两隧道职业照射年有效剂量当量均不超标。寒武系下统牛角河群一段1nj1燕山早期第三阶段第一侵入中粗粒黑云母二长花岗岩52-3a燕山早期第二阶段第二侵入细粒黑云母花岗岩燕山早期第三阶段第一侵入中粗粒黑云母花岗岩52-3a核素含量采样位置o3加里东期侵入黑云母花岗岩F断层F断层高程/m3000DK369+440320340360380400长沙隧道进口里程DK368+520隧道出口里程DK369+487.5（a）下东村隧道洞身DK369+000DK368+560里程/kmJz-2017-368545（b）机木山隧道洞身0100里程/km高程/m300400500200隧道出口里程DK402+366隧道进口里程DK396+145.69F1F3F4F2F1F3F4F21nj11nj11nj11nj152-3a52-2b52-3aDK397DK398DK399DK400DK401DK402Jz-2017-深397680Jz-2017-深398680Jz-2017-深400450Jz-2017-401664图1隧道地质纵断面 表1下东村、机木山隧道职业照射年平均有效剂量当量隧道名称里程年有效剂量当量/（mSvyear1）备注隧道名称里程年有效剂量当量/（mSvyear1）备注下东村隧道DK368+520+6000.0223未超标机木山隧道DK398+500+6000.0247未超标+600+7000.0221未超标+600+7000.0245未超标+700+8000.0222未超标+700+8000.0251未超标+800+9000.0221未超标+800+9000.0251未超标DK368+900DK369+0000.0221未超标DK398+900DK399+0000.0255未超标+000+1000.0220未超标+000+1000.0245未超标+100+2000.0220未超标+100+2000.0253未超标+200+3000.0220未超标+200+3000.0251未超标+300+4000.0222未超标+300+4000.0249未超标+400+4700.0219未超标+400+5000.0243未超标背景值0.0221背景值0.0249标准偏差0.0001标准偏差0.0004 1.2 孔口空气中氡浓度测量选用 RAD7 型 能谱氡气检测仪，严格按照环境空气中氡的测量方法（HJ 12122021）7的有关规定进行。下东村、机木山隧道各测试孔数值统计，见表 2。钻孔位置如图 1。两隧道各钻孔孔口空气氡浓度测试数据范围为 14.4131.0 Bq/m3，依据民用建筑工程室内环境污染控制标准（GB 503252020）8限制值150.0 Bq/m3，本次两隧道所测钻孔氡浓度未超标，故洞身范围内空气中氡浓度属于正常区值。表2下东村、机木山隧道放射性测试钻孔孔口空气氡浓度数值统计隧道名称序号孔号氡浓度值/（Bqm3）备注下东村隧道1Jz-2107-36854514.4未超标机木山隧道1Jz-2107-深397680102.6未超标2Jz-2107-深39868093.5未超标3Jz-2107-深40045087.5未超标4Jz-2107-401664131.0未超标合计14.4131.0 1.3 钻孔岩心 辐射剂量率测量采用型号 COLIY R700 环境级 X、多探头核辐射仪，对两隧道洞身范围内的 5 个钻孔岩心 辐射剂量率进行了测量，各钻孔放射性强度基本情况肖 凡：赣南山区铁路隧道放射性评价及影响评估 161 及各钻孔测量计算结果及属性，见表 3。根据上述统计结果，结合数理统计正态分布特征及一般数据标准偏差小于5%的经验，总体上两隧道 5 个钻孔数据较为稳定，无明显数据异常，只有机木山隧道 Jz-2 107-401 664 孔标准偏差0.054 8（5%），可能存在某岩层段放射性高异常。表3隧址区内 5 孔 辐射剂量率测量计算结果及属性隧道名称序号孔号放射性测试强度/（uGyh1）数据个数标准偏差变异系数岩性最大值最小值平均值下东村隧道1Jz-2107-3685450.1520.1240.137290.00690.0510花岗岩机木山隧道1Jz-2107-深3976800.5800.2410.3821310.03370.0885花岗岩2Jz-2107-深3986800.7010.2540.3551610.04180.1181花岗岩3Jz-2107-深4004500.3720.2110.3071630.02310.0752花岗岩4Jz-2107-4016640.6260.1750.531900.05480.1027花岗岩合计0.7010.1240.3424 1.4 钻孔岩心氡析出率测量两隧址区内 5 个钻孔中各孔具代表性岩心氡析出率测量结果，见表 4。所测钻孔极小-极大值为0.016 80.293 6 Bq/（m2s），根据铀矿地质勘查辐射防护和环境保护规定（GB 158482009）9中 0.74 Bq/（m2s）限值，所测各钻孔内的岩石氡的析出率均不超标。表4隧址区内钻孔岩心氡析出率测量结果隧道名称序号钻孔编号岩心深度/m岩性氡析出率/（Bqm2s1）下东村隧道1Jz-2107-36854520中-细粒黑云母花岗岩0.0176250.0168机木山隧道1Jz-2107-深39768085中粗粒黑云母二长花岗岩0.24521000.23861150.24622Jz-2107-深398680122中粗粒黑云母花岗岩0.22481340.21951450.21623Jz-2107-深400450139中粗粒黑云母二长花岗岩0.20411420.21251460.20654Jz-2107-40166470细粒黑云母花岗岩0.2815750.2936800.2886 1.5 钻孔岩心取样化验结果及辐射水平测量本次对两隧址区的 5 个钻孔进行了岩心取样分析，取样量为深度处约15 cm，部分样品取样量为一定长度内各取部分。根据岩心化验结果（岩石中226Ra、238U、232Th、40K 的活度浓度）及建筑材料放射性核素限量（GB 65662010）中的方法计算了岩土中天然放射性核素所致内照射指数 IRa和外照射指数 Ir10，取样位置及分析结果，见表 5。表5隧道钻孔岩心取样位置及分析结果（Bqkg1）隧道名称序号钻孔编号岩性238U（铀）226Ra（镭）232Th（钍）40K（钾）IRa（内照射指数）Ir（外照射指数）下东村隧道1Jz-2107-368545花岗岩50.864.261.6879.80.30.6机木山隧道1Jz-2107-深397680 花岗岩108.0164.0114.01441.00.81.22Jz-2107-深398680 花岗岩70.3104.0132.01328.00.51.13Jz-2107-深400450 花岗岩128.094.3166.01346.00.51.24Jz-2107-401664花岗岩216.0186.0207.01280.00.91.6路基工程 162 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）民用建筑工程室内环境污染控制标准（GB 503252020）规定，民用建筑工程所使用的材料，材料内、外照射应符合内照射 IRa1.0；外照射 Ir1.38。根据上表化验分析结果，机木山隧道 Jz-2 107-401 664 孔外照射指数为 1.6，超过了上述规范限值，可能存在某岩层段放射性高异常，其他钻孔化验结果均未超过内外照射指数范围。2 异常数据原因分析据前所述，机木山隧道各项试验指标数据明显高于下东村隧道，且钻孔岩心 辐射剂量率及岩心外照射指数 Ir 存在数据异常的情况，依据区域地质背景及隧道地勘工作取得的资料对数据偏高原因进行分析。赣南地区花岗岩体共出露 70 余个11，包括加里东期、海西、印支、燕山四个旋回，其中燕山旋回为岩浆活动最鼎盛的时期，具多阶段、多次成岩活动。下东村隧道洞身花岗岩为加里东晚期（晚奥陶世-早志留世）侵入形成，洞身主要受东西向断裂影响，构造条件较为简单；机木山隧道洞身花岗岩为燕山期多期次花岗岩浆侵入形成，受构造带密切控制，隧道洞身位于笔架山复式岩体之中，形态呈穹隆状，平面上呈浑圆状，整个岩体出露面积约 25 km2，以岩株形式产出相对关系，见图 2。通过结合区域地质背景分析，机木山隧道放射性测试数据偏高主要是基于以下原因：（b）A-B地质剖面横江横江长村B笔架山笔架山K五云Z-DK401DK401DK394Z-DK398DK398天心寨天心寨AD-C长赣铁路走向机木山隧道起点机木山隧道终点笔架山复式岩体笔架山复式岩体赣州盆地赣州市K赣州盆地K：白垩系 D-C：泥盆-石炭系 Z-：震旦-寒武系脆性正断层燕山期花岗岩华夏系、新华夏系构造体系DCK5004812162005001000A赣州B断陷盆地穹窿状花岗岩杂岩体及震旦-寒武系围岩华夏系、新华夏系构造体系上盘脆性正断层带铁路长度/kmZ-Z-Z-机木山隧道投影赣州盆地（a）机木山隧道与笔架山平面关系高程/m图2机木山隧道洞身与笔架山岩体相对关系（据张运涛11修改）（1）与下东村隧道相比，机木山隧道所穿行的笔架山岩体更年轻。华南地区是花岗岩型铀矿的主要产地，铀含量是影响放射性水平的主要因素，而华南地区主要成矿年龄值为 65.5145.5 Ma 之间12，故机木山隧道（燕山期）铀含量要明显高于下东村隧道（加里东晚期），因此测试数据相对更高。（2）机木山隧道所在地区，华夏系（北东向）与新华夏系（北北东向）构造体系发育，直接影响和控制了晚白垩纪至新近纪的沉积，构造体系成带出现，以断裂构造为主，深大断裂的长期活动，为岩浆侵入提供了良好的通道。结合钻孔揭露，机木山隧道隧址区存在多条断层，如图 1（b），部分钻孔岩心表现有硅化现象（图 3），表明这些断层作为深部热液通道可能带来了放射性核素，同时热液活动使得岩体本身放射性核素活化、迁移，故导致放射性测试数据偏高。（a）49.8 m处岩心（b）90.2 m处岩心图3Jz-2 107-401 664 孔 49.8、90.2m 处岩心硅化现象 肖 凡：赣南山区铁路隧道放射性评价及影响评估 163 3 施工期间辐射影响预测与评价 3.1 隧道施工人员所受照射剂量估算方法隧道施工人员所受年有效剂量为外照射和内照射剂量之和，两部分需分开计算。3.1.1 外照射所致剂量估算依据环境地表 辐射剂量率测定规范（GB/T 145831993）13及电离辐射防护与辐射源安全基本标准（GB 188712002）14，外照射剂量估算式2为H=0.7Rt103（1）式中：H 为外照射所致人均年有效剂量当量，mSv/year；0.7 为人体有效剂量与空气吸收剂量的转换系数；R 为 外照射剂量率，106Gy/h；t 为年施工时间，h/year。本次估算过程中取值及说明如下：外照射剂量率 R，取钻孔所测数据的极小-极大值；年施工时间 t，我国一天中法定假日包括周六、周日一共有 115 天或 116 天，工作时间一般约为 250 天，考虑工程进度等其他因素，按年工作 300 天计算，对于特殊常驻管理人员每天工作 12 小时进行计算，接收照射时间为 12300=3 600 h/year，以此估算隧道施工外照射所致剂量。3.1.2 内照射所致剂量估算内照射剂量估算式2为He=0.5NGt（2）式中：He 为内照射所致人均年有效剂量当量，mSv/year；0.5 为氡与子体的平衡因子；N 为工作面氡浓度，Bq/m3；G 为转换因子，7.85106，mSv/(hBq/m3)；t 为年施工时间，h/year。本次估算过程中取值及说明如下：工作点氡浓度 N：氡浓度在通风不畅、未做护壁的掌子面浓度最大，具体工序而言为出渣期，取钻孔内测试的氡浓度最大值；年施工时间 t：与外照射所致剂量估算方法相同，取 3 600 h/year。3.2 隧道施工人员所受照射剂量估算结果根据下东村、机木山两隧道钻孔岩心 剂量率测量结果（表 3 最大值）、氡析出率测量结果（表 2 最大值）分别计算钻孔对应隧道对施工人员内外照射剂量估算结果最大值，见表 6。表6下东村、机木山隧道所受照射剂量估算结果最大值（3600h/year）隧道名称外照射剂量内照射剂量总剂量（mSv）剂量率R/（106Gyh1）转换系数t/（hyear1）Hy/（mSv）氡浓度N/（Bqm3）转换因子（106）平衡因子t/（hyear1）He/（mSv）下东村隧道0.1520.736000.383014.47.850.536000.20350.5865机木山隧道0.7010.736001.7665131.07.850.536001.85103.6175 3.3 隧道施工过程中人员的辐射影响评价根据表 6 计算结果，当年工作时间为 3 600 小时，下东村、机木山两隧道施工人员所受内、外照射年有效剂量当量分别为0.586 5 mSv、3.617 5 mSv，根据电离辐射防护与辐射源安全基本标准（GB 188712002）6.6.2.314的规定，机木山隧道内外照射总剂量计算值处于 1.05.0 mSv，该区域应尽可能进行个人监测或工作场所监测。由于本次计算所采用的参数是根据测试数据取最大值，而实际施工中不可能长期处于某一固定岩层位置，因此，两隧道施工人员实际所受照射值必将低于计算值。下东村隧道孔内 测试值为 0.383 0 mSv1 mSv，机木山隧道孔内 测试值为 1.766 5 mSv1 mSv，根据铁路工程不良地质勘察规程（TB100272022）的规定，下东村隧道洞身范围为非限制区，机木山隧道洞身范围为放射性围岩区6。建议机木山隧道施工作业人员在工作时尽量减少作业时间、可穿戴专业防辐射工作服；过大时佩戴专业辐射剂量仪，受照剂量超过 1.0 mSv/year 时工作完成后需跟踪剂量监测、并建立建全档案，为了使公众和管护人员日后经过该段受放射性的危害，施工时应加强工程防护措施。4 运营期间辐射影响预测与评价隧道通车后，在运营期间，乘车及乘务人员可能会受到一定的辐射剂量照射，因此，有必要对辐射剂量进行预测评估；同时，运营期间应采取一定监测方案加强放射性监测。4.1 隧道地段照射剂量预测根据两隧道钻孔岩心所测 外照射剂量率的最大值，隧道全长，设定列车通过该隧道速度为50 km/h，则可计算出通过隧道所需时间，分别计算乘车人员（1 年通过 1 次）及乘务人员（1 年工作300 天，1 天通过 2 次）产生的全线 外照射剂量当量值估算结果，见表 7，计算方法同 3.1.1），并路基工程 164 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）与电离辐射防护与辐射源安全基本标准（GB188712002）中附录 B1.2.1 规定的公众成员年有效剂量当量限值 1 mSv 进行对比分析14，可知长赣铁路放射性钻孔年有效剂量当量远低于管理限制。表7下东村、机木山两隧道运营期间所产生照射剂量（Hy）估算结果隧道名称序号 人员类型 外照射剂量率R/（106Gyh1）转换系数 t/（hyear1）Hy/（mSv）备注下东村隧道1乘车人员0.1520.70.0190.211051年通过1次2乘务人员0.1520.711.6101.241031年工作300天，1天通过2次机木山隧道1乘车人员0.7010.70.1246.101051年通过1次2乘务人员0.7010.774.66436.631031年工作300天，1天通过2次 由于隧道衬砌施工能屏蔽部分辐射，且列车通过隧道实际速度远大于 50 km/h，故乘车人员及列车工作人员所受的剂量将较预测值更低。4.2 监测方案针对两隧道地表和已有钻孔深部的放射性调查可知：放射性异常多分布于构造、节理破碎带、岩性接触带，为防止隧道开挖过程中对施工人员和公众产生危害，应对隧道开挖过程中遇到的岩性接触带（寒武、震旦）、层间破碎带、断层破碎带处加强放射性监测。5 结语对赣南山区铁路下东村、机木山两隧道洞身开展地表放射性探测、空气中氡浓度测量、钻孔岩心 辐射剂量率测量、钻孔岩心氡析出率测量、岩心取样化验等检测工作。（1）通过地表放射性探测，岩心测试等多种综合手段，下东村、机木山两隧道职业照射年有效剂量当量、空气中氡浓度、岩心氡析出率等指标均不超标。（2）与下东村隧道相比，机木山隧道洞身范围内钻孔岩心 辐射剂量率及岩心外照射指数存在数据异常，主要原因是：机木山隧道所穿笔架山岩体更年轻；受华夏系（北东向）与新华夏系（北北东向）构造体系的影响较为显著，在此构造体系中发育的断层带作为深部热液通道导致放射性核素活化和迁移，导致测试数据偏高。（3）通过计算，两隧道施工期和运营期相关人员所受照射剂量较小。建议隧道施工期间，施工人员加强工程防护措施，在运营期并对隧道开挖过程中遇到的岩性接触带（寒武系、震旦系与花岗岩）、层间破碎带、断层破碎带处加强放射性监测。参考文献(References)：1 甘光元,蒲东.某花岗岩质隧道放射性评价及工程措施 J.高速铁路技术,2022,13（2）:53 56,66.GAN G Y,PU D.Radioactivity evaluation and engineering measures of agranite tunnel J.High Speed Railway Technology,2022,13（2）:53 56,66.2 李翔.铁路工程放射性影响评价方法研究 J.铁道工程学报,2010,27（8）:41 46.LI X.Study on method for assessing radioactive impact to railwayengineering J.Journal of Railway Engineering Society,2010,27（8）:41 46.3 钟晶.怀邵衡铁路复杂不良地质区域线路方案研究 J.铁道标准设计,2015,59（11）:35 40.ZHONG J.Research on route selection in complex unfavorable geologyareas of Huai-Shao-Heng railway J.Railway Standard Design,2015,59（11）:35 40.4 赵晓博.综合放射性检测用于昌景黄铁路选线评估 J.工程地球物理学报,2021,18（5）:724 729.ZHAO X B.Application of comprehensive radioactivity detection in routeselection evaluation of Chang-Jing-Huang railway J.Chinese Journal 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Xiadongcun Tunnel andJimushan Tunnel of the railway in mountainous area in southern Jiangxi Province,the detection was conducted onthe body of two Tunnels,including surface radioactivity detection,measurement of radon concentration in air,borehole survey of radiation dose rate,borehole survey of radon exhalation rate and tests on boring sample etc.The study shows that,the most of test results maintain at the normal level,such as annual effective doseequivalent of occupational exposure in the scope of tunnel body,radon concentration in air and core radonexhalation rate,however,at Jimushan Tunnel,there have abnormal data on the borehole survey of radiation doserate and the external exposure index.One reason is that the rock mass through which the Tunnel passes is young,and the other reason is the result from the deep hydrothermal channel mainly composed of fault structure.By thecalculation and analysis,it is determined that the exposure dose suffered by the related personnel in theconstruction period and the operation period of the two Tunnels is mild,and the construction personnel arerecommended to strengthen the protection,and to enhance the radioactivity monitoring at the lithologic contactzone,the interlayer fracture zone and the fault fracture zone encountered during the tunnel excavation.Keywords:Xiadongcun Tunnel；Jimushan Tunnel；radioactivity；detection；exposure dose；constructionperiod；operation period路基工程 166 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）