鄭 鑫， 郭 春, *， 王 欣， 王帥帥

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031； 3. 中交第二公路工程局有限公司， 陜西 西安 710065)

0 引言

我國自2000年出臺西部大開發(fā)政策以來，一直將西部交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)視為重點(diǎn)。2018年10月，中央財經(jīng)委員會召開會議，研究川藏鐵路規(guī)劃建設(shè)問題，川藏鐵路規(guī)劃總長1 700 km，沿線平均海拔4 000 m左右，橋隧占比在80%以上，隧道工程將迎來新一輪發(fā)展。同時，由于川藏鐵路沿線海拔較高，加上本身半封閉的特點(diǎn)，隧道工程建設(shè)也將面臨嚴(yán)重的缺氧問題。在低壓、低氧的環(huán)境下，從事體力勞動可能加重機(jī)體缺氧程度及生理負(fù)荷，導(dǎo)致人員的勞動能力下降[1-5]，過重體力勞動導(dǎo)致機(jī)體細(xì)胞嚴(yán)重缺氧可能誘發(fā)高原腦水腫[6]、高原肺水腫和高原心臟病[7]。因此，有必要評價高海拔隧道施工人員體力勞動強(qiáng)度，為隧道施工組織提供依據(jù)。

吳秋軍等[8]通過資料調(diào)研及理論計算，得到人體勞動的平均能量代謝率海拔修正系數(shù)，并進(jìn)行不同海拔下隧道關(guān)鍵施工工序勞動強(qiáng)度劃分。張堯等[9]通過實(shí)測，從生理指標(biāo)變化及勞動強(qiáng)度指數(shù)方面評價不同海拔下電力運(yùn)行維護(hù)工人的勞動強(qiáng)度。沈維春等[10]通過實(shí)測，計算得到不同海拔下西藏電網(wǎng)工人的勞動能量消耗及時間消耗，并結(jié)合能量消耗及時間消耗統(tǒng)計分析，得到各海拔高度對應(yīng)的勞動降效指標(biāo)。綜上，目前研究均基于肺通氣量計算能量代謝率，未考慮所使用公式在高海拔地區(qū)的適用性，而且缺乏對隧道這種特殊作業(yè)環(huán)境下的勞動強(qiáng)度測試，對于勞動強(qiáng)度評價的指標(biāo)單一。

本文依托圭嘎拉隧道進(jìn)口段(海拔4 300 m)及1#斜井段(海拔4 560 m)的現(xiàn)場實(shí)測，基于耗氧量計算能量代謝率，從心肺功能指標(biāo)及勞動指數(shù)2方面評價主要工序的勞動強(qiáng)度，以期為高海拔隧道施工勞動保護(hù)及作業(yè)制度的制定提供依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象

隧道進(jìn)口段選取的測試工序?yàn)檎谱用驺@炮眼、掌子面噴漿、二次襯砌鋼筋綁扎、二次襯砌防水布鋪設(shè)、二次襯砌澆筑，1#斜井段選取的測試工序?yàn)檎谱用驺@炮眼、掌子面噴漿、二次襯砌防水布鋪設(shè)、二次襯砌澆筑。每個測試工序挑選5名工人作為測試對象，所選測試對象均為身體健康、年齡在30～50歲的漢族男性。測試對象高原暴露時間為0.5～1.5年，且睡眠、飲食、勞動均無顯著障礙，確定測試對象均已達(dá)到習(xí)服。

1.2 研究方法

1.2.1 生理指標(biāo)測試

1)選擇能夠反映人員勞動能力變化的生理指標(biāo)作為測試指標(biāo)，主要有心率、血氧飽和度、肺通氣量、耗氧量。

2)測試儀器為耶格Oxycon Moblie遙測運(yùn)動心肺功能測試系統(tǒng)(見圖1)，通過耳夾式脈搏血氧儀采集心率及血氧飽和度，呼吸面罩采集肺氣通量及耗氧量。采集數(shù)據(jù)經(jīng)無線模塊傳輸至電腦。

3)在每個工序開始前為受測人員穿戴儀器預(yù)熱15 min，從勞動開始進(jìn)行正式測試，測試時間持續(xù)整個勞動過程，全程通過電腦監(jiān)控受測人員的生理指標(biāo)變化。

(a)

(b)

1.2.2 環(huán)境因素測試

通過Oxycon Moblie心肺功能測試系統(tǒng)測試隧道進(jìn)口段及1#斜井段工作場所大氣壓，使用希瑪AS8901手持式氧氣測試儀測試含氧量。

1.2.3 勞動時間率測試

每個工序勞動時間的測定自勞動開始至勞動結(jié)束，減去過程中的休息時間，獲得凈勞動時間。每個工序測定3次凈勞動時間，取平均值，計算勞動時間率。

1.2.4 勞動強(qiáng)度指數(shù)計算

TB/T 2607—2006《鐵道行業(yè)體力勞動強(qiáng)度分級》[11]根據(jù)體力勞動強(qiáng)度指數(shù)I對勞動強(qiáng)度進(jìn)行分級，實(shí)現(xiàn)勞動強(qiáng)度量化。體力勞動強(qiáng)度指數(shù)的影響因素主要包括能量消耗以及時間消耗。

1.2.4.1 體力勞動強(qiáng)度指數(shù)計算

I=3Rt+1.673M(1+K)。

(1)

式中：I為體力勞動強(qiáng)度指數(shù)；Rt為勞動時間率，%；M為工作日平均能量代謝率，kJ/(min·m2)；K為海拔修正系數(shù)，海拔3 000～4 000 m時為0.65，≥4 000 m時為0.72。

1.2.4.2 勞動時間率計算

Rt=∑Tsi/T×100%。

(2)

式中： ∑Tsi為工作時間內(nèi)凈勞動時間，min；Tsi為單項(xiàng)勞動占用時間，min；T為工作日總時間，min。

1.2.4.3 平均能量代謝率計算

M=(∑Esi×Tsi+∑Erk×Trk)/T。

(3)

式中：M為工作日平均能量代謝率，kJ/(min·m2)；Esi為單項(xiàng)勞動能量代謝率，kJ/(min·m2)；Tsi為單項(xiàng)勞動占用時間，min；Erk為休息時的能量代謝率，kJ/(min·m2)；Trk為休息時占用時間，min；T為工作日總時間，min。

規(guī)范[11]中基于肺通氣量計算能量代謝率，計算公式僅適用于肺氣通量為3.0～30.9 L的情況。以往研究發(fā)現(xiàn)高海拔大強(qiáng)度體力勞動肺通氣量遠(yuǎn)超過30.9 L[5]，本次測試同樣發(fā)現(xiàn)高海拔隧道內(nèi)體力勞動時肺通氣量(已化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的值)常大于30.9 L，因此基于肺通氣量的能量代謝率計算公式并不能完全適用，本項(xiàng)研究采用臨床醫(yī)學(xué)公式[12]，基于耗氧量測試計算能量代謝率，計算公式如下：

M=(20.19x)/A。

(4)

式中：M為工作日平均能量代謝率，kJ/(min·m2)； 20.19為氧熱價，kJ/L；x為耗氧量，L/min；A為單位體表面積，m2。

1.2.5 評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)TB/T 2607—2006《鐵道行業(yè)體力勞動強(qiáng)度分級》，將勞動強(qiáng)度分為5級，如表1所示。

表1 體力勞動強(qiáng)度分級

GBZ 2.2—2007《工業(yè)場所有害因素職業(yè)接觸限值 第2部分： 物理因素》[13]中規(guī)定： 工作日內(nèi)從事任何單項(xiàng)體力勞動時，最大心率值不應(yīng)超過150 bpm；工作日8 h總能量消耗不應(yīng)超過6 276 kJ或7.824 kJ/(min·m2)。以往研究[9]中對于血氧飽和度的要求標(biāo)準(zhǔn)是不小于85%。

1.2.6 統(tǒng)計方法

所測數(shù)據(jù)以x±s表示，結(jié)果分析采用方差分析。

2 結(jié)果分析

2.1 測試影響因素分析

測試目的是旨在分析海拔高差以及勞動強(qiáng)度對不同工序施工人員生理指標(biāo)的影響差異。但是，掌子面鉆炮眼及掌子面噴漿測試地點(diǎn)在掌子面附近，而二次襯砌鋼筋綁扎、二次襯砌防水布鋪設(shè)、二次襯砌澆筑測試地點(diǎn)在二次襯砌臺車附近，2個不同地點(diǎn)的氧分壓差異可能會影響測試結(jié)果。環(huán)境因素測試結(jié)果顯示，進(jìn)口段兩地點(diǎn)大氣壓為60.6～60.7 kPa，氧含量均為20.9%，氧分壓為12.66～12.68 kPa； 1#斜井兩地點(diǎn)大氣壓均為57.7～57.8 kPa，氧含量為20.9%，氧分壓為12.06～12.08 kPa。進(jìn)口段、1#斜井段兩地點(diǎn)氧氣分壓差異均小于0.02 kPa。

2.2 心肺功能指標(biāo)評價

以往研究顯示，勞動者從事體力作業(yè)時，經(jīng)過4～5 min即可達(dá)到與勞動強(qiáng)度相適應(yīng)的水平，進(jìn)入作業(yè)階段的穩(wěn)定期[14]。本次測試結(jié)果也顯示受測人員在勞動開始5 min內(nèi)心肺功能指標(biāo)變化波動大，因此選取5 min以后心肺功能指標(biāo)的平均值代表體力勞動人員勞動狀態(tài)下的心肺功能指標(biāo)。

不同海拔隧道不同工序下體力勞動人員的心率如表2所示。由表2可見： 不同工序下，施工人員的心率差異較直觀。其中，鋼筋綁扎工序下，施工人員平均心率達(dá)到136 bpm，雖未超過衛(wèi)生限值(150 bpm)，但個別受測者心率已超過140 bpm，需要引起重視。進(jìn)行掌子面噴漿及二次襯砌澆筑工序時，施工人員勞動強(qiáng)度較輕，平均心率較低。

表2 不同海拔隧道不同工序下體力勞動人員的心率

不同海拔隧道不同工序下體力勞動人員的血氧飽和度如表3所示。由表3可見： 不同工序勞動強(qiáng)度引起的血氧飽和度差異較明顯。其中，鋼筋綁扎工序下，施工人員的平均血氧飽和度已下降到80%，嚴(yán)重低于衛(wèi)生限值(85%)。掌子面鉆炮眼及防水板鋪設(shè)工序下，施工人員的平均血氧飽和度也已接近衛(wèi)生限值(85%)。掌子面鉆炮眼和二次襯砌澆筑工序下，施工人員血氧飽和度保持在較安全的范圍。高強(qiáng)度體力勞動時呼吸頻率增快，使吸入氣在肺泡內(nèi)與血液交換時間縮短，從而限制了氧的彌散效率，導(dǎo)致了血氧飽和度下降。

從心肺功能指標(biāo)(心率、血氧飽和度)角度分析，鋼筋綁扎工序是勞動強(qiáng)度最大的工序，原因是該工序下施工人員需要參與大量鋼筋搬運(yùn)；掌子面噴漿及二次襯砌澆筑是勞動強(qiáng)度相對較小的工序，原因是該工序機(jī)械化程度高，施工人員大部分時間通過操縱機(jī)械施工。

表3 不同海拔隧道不同工序下體力勞動人員的血氧飽和度

2.3 勞動強(qiáng)度指數(shù)評價

基于耗氧量(見表4)計算平均能量代謝率,不同海拔隧道不同工序下施工人員的平均能量代謝率如表5所示。由表5可見： 不同工序下，施工人員平均能量代謝率差異明顯。其中，掌子面鉆炮眼及鋼筋綁扎工序下，施工人員平均能量代謝率較大，均超過衛(wèi)生限值(7.824 kJ/(min·m2))，其余工序平均能量代謝率均未超過衛(wèi)生限值。低氧反應(yīng)引起的通氣過度及高勞動強(qiáng)度造成的呼吸肌劇烈運(yùn)動，促使機(jī)體耗氧量增加，即引起平均能量代謝率增加。

隧道進(jìn)口段與1#斜井段各工序每日施工時間大致相同，因此取為相同，如表6所示。

表4 不同海拔隧道不同工序下施工人員的耗氧量

表5 不同海拔隧道不同工序下施工人員的平均能量代謝率

注： *表示進(jìn)口段與1#斜井段比較，顯著性P<0.05。下同。

表6隧道不同施工工序勞動時間率

Table 6 Working time rate of different tunnel construction procedures

工序 勞動時間/min勞動時間率/%掌子面鉆炮眼3000.625掌子面噴漿2400.5二次襯砌鋼筋綁扎4200.875二次襯砌防水布鋪設(shè)4200.875二次襯砌澆筑4200.875

不同海拔下隧道各類施工工序勞動強(qiáng)度分級見表7。結(jié)果顯示，各工序勞動強(qiáng)度大部分為中度—極重度，與以往研究結(jié)果較吻合[8]。各工序間由于存在能量消耗及時間消耗差異，勞動強(qiáng)度指數(shù)差異有所區(qū)別，其中鋼筋綁扎工序勞動指數(shù)達(dá)到35，屬于極重體力勞動，在施工人員組織時需要采取特殊考慮，考慮增加施工人員數(shù)量或縮短作業(yè)時間。

表7 不同海拔下隧道不同施工工序勞動強(qiáng)度分級

由于各工序測試樣本較少，為分析海拔差異帶來的體力勞動強(qiáng)度差異，通過計算掌子面鉆炮眼、掌子面噴漿、二次襯砌防水布鋪設(shè)、二次襯砌澆筑4個工序勞動強(qiáng)度指數(shù)平均值，獲得綜合勞動強(qiáng)度指數(shù)，結(jié)果如表8所示?？芍?，260 m的海拔差異造成的隧道施工綜合勞動強(qiáng)度指數(shù)差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。因此，相比進(jìn)口段，1#斜井段在施工組織時應(yīng)調(diào)整作業(yè)人員數(shù)量或作業(yè)時間。

表8不同海拔下隧道施工綜合勞動強(qiáng)度指數(shù)

Table 8 Comprehensive labor intensity indices of tunnel construction at different altitudes

不同海拔測試個體數(shù)勞動強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)口段(海拔4 300 m)2017.9±5.6?1#斜井段(海拔4 560 m)2019.7±5.7

3 結(jié)論與討論

1)對比進(jìn)口段和1#斜井段，260 m的海拔差距造成約0.4 kPa的氧氣分壓差異，除二次襯砌鋼筋綁扎外的4個工序的綜合勞動強(qiáng)度指數(shù)差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

2)隧道各工序勞動強(qiáng)度不一，大部分為中度—極重度(海拔4 300～4 560 m)。從心肺功能指標(biāo)及勞動強(qiáng)度指數(shù)2個角度看，勞動強(qiáng)度最大的工序都是鋼筋綁扎，其次是掌子面鉆炮眼。以上2個工序均有生理指標(biāo)超過衛(wèi)生限值的情況，需要通過調(diào)整施工人員組織或者進(jìn)行針對性供氧，以確保施工安全且有效率地進(jìn)行。

3)在高海拔隧道內(nèi)進(jìn)行體力勞動時，肺通氣量(已化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的值)常常大于30.9 L，現(xiàn)行規(guī)范中基于肺通氣量計算平均能量代謝率的公式不完全適用，臨床醫(yī)學(xué)公式基于耗氧量測試計算平均能量代謝率，可作為計算公式選擇之一，但仍需通過相應(yīng)對比試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4)施工人員習(xí)服時間長短、隧道環(huán)境因素變化(氧分壓、溫濕度)、隧道施工進(jìn)尺等因素均可能對施工人員勞動能力造成影響，進(jìn)而影響生理指標(biāo)測試結(jié)果。因此，仍需進(jìn)一步研究上述因素對施工人員生理指標(biāo)的具體影響程度。