陳 奇， 陳壽根

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

正確、合理的熱害分級是在充分掌握隧道熱源環(huán)境基礎(chǔ)上，預(yù)測高溫環(huán)境對人員生理健康產(chǎn)生危害程度的重要判據(jù)，是高溫環(huán)境下施工穩(wěn)步進(jìn)行、施工質(zhì)量得到有力保障的前提。謝君泰、余云燕[1]以新建拉薩至日喀則鐵路高巖溫隧道的設(shè)計、施工作為依托，結(jié)合拉日線高巖溫隧道所處的高海拔、低氣壓、缺氧等特殊條件，對吉沃希嘎高巖溫隧道的熱害按照施工和設(shè)計進(jìn)行分別劃分。其成果為拉日鐵路的勘察設(shè)計和施工提供理論依據(jù)，但該分級方法可以考慮作業(yè)強度和作業(yè)時間等因素而避免分級指標(biāo)單一，使其分級方法更加完善。任智剛、劉功智等[2]通過對井下高溫作業(yè)場所作業(yè)人員人體熱交換過程及影響因素的分析,建立了包括4項指標(biāo)的井下高溫作業(yè)場所評價指標(biāo)體系，并對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行定性和定量篩選分析,最終確定以WBGT指數(shù)和最高體力勞動強度級別作為井下高溫作業(yè)場所熱害程度分級指標(biāo)。曹雪玲、張妮萍等[3]探討了高溫作業(yè)熱環(huán)境評價指標(biāo)，建議利用WBGT指數(shù)作高溫綜合評價指標(biāo)的同時，掌握當(dāng)?shù)馗邷丶竟?jié)自然氣象條件，同時檢測作業(yè)崗位室內(nèi)外溫差，分析高溫形成的因素，有針對性地指導(dǎo)防暑降溫工作，有效保護(hù)勞動者生命健康安全。王欣平[4]總結(jié)了國內(nèi)外作業(yè)場所職業(yè)危害程度分級現(xiàn)狀,認(rèn)為我國作業(yè)場所職業(yè)危害程度嚴(yán)重和職業(yè)衛(wèi)生監(jiān)督力量薄弱,并提出了在我國進(jìn)行作業(yè)場所進(jìn)行綜合分級,根據(jù)分級結(jié)果進(jìn)行分級監(jiān)察的設(shè)想。根據(jù)以上研究成果，如何選擇熱害指數(shù)，確定各個因素之間的權(quán)重，提出一種更全面、合理的高溫隧道熱害分級方法是有必要的。熱害分級對降溫措施制定以及施工組織管理提供了理論依據(jù)且具有指導(dǎo)施工的意義。

1 熱環(huán)境評價

1.1 熱環(huán)境評價的指標(biāo)

在高溫作業(yè)環(huán)境下，人體的生理機(jī)能受到環(huán)境中空氣濕度、空氣溫度、風(fēng)速、輻射熱以及人自身的勞動時間和勞動強度等的影響。國際上熱環(huán)境評價的指標(biāo)主要有以下幾種：

(1)濕球黑球溫度指數(shù)(WBGT)：是由Yaglon和Mainard于1957年提出的[5], 是表示人體接觸生產(chǎn)環(huán)境熱強度的一個經(jīng)驗指數(shù)。該指數(shù)綜合考慮空氣溫度、濕度、風(fēng)速和輻射熱 4 個因素，是綜合評價人體接觸作業(yè)環(huán)境熱負(fù)荷的一個較好的指標(biāo)。WBGT采用了自然濕球溫度(tnw)、直徑為150 mm的黑球溫度(ts,該指標(biāo)反映輻射熱)和干球溫度(ta)三種參數(shù),并由下列公式計算而獲得。

室內(nèi)作業(yè):WBGT=0.7tnw+0.3ts

室外作業(yè):WBGT=0.7tnw+0.2ts+0.1ta

(2)Sreq 指數(shù)(Required Sweatindex)：是通過計算和分析人體所必須的出汗率來評價其所在的熱環(huán)境。

(3)生理學(xué)指數(shù) ( Physiological Measurements)：是評價人體核心溫度、皮膚溫度、心率、質(zhì)量損失等生理指標(biāo)對人體影響的方法。

(4)ET 指數(shù)(Effective Temperature)：在較早期由Yaglou和Houghten于1923年提出的，人體在空氣溫度、相對濕度和風(fēng)速的綜合作用下產(chǎn)生的熱感覺指標(biāo)，至今被廣泛應(yīng)用[2]。1946年Bedford提出考慮輻射對ET指標(biāo)進(jìn)行修正，即CET指標(biāo)[5]。

(5)TEQ 指數(shù)：是生理等效溫度指標(biāo)，是人體在氣溫、平均輻射溫度和風(fēng)速的綜合作用下產(chǎn)生的熱感覺指標(biāo)。

(6)P4SR指數(shù)(Predicted Four-hour Sweat Rate)：是Mcardle等(1947年)根據(jù)身著單衣的男性青年在不同氣象條件和勞動強度下所引起出汗量變化的實驗為基礎(chǔ)而提出的一種方法，是以預(yù)測4 h出汗率作為指標(biāo)進(jìn)行評價。通過勞動強度、衣服與濕球溫度的關(guān)系以修正濕球溫度[5]。

(7)熱強度指數(shù)HSI(Heat Stress Index)：是由Belding和Hatch于1959年提出，其方法是將空氣溫度、濕度、輻射熱、風(fēng)速和勞動強度幾個因素綜合考慮在內(nèi)，并以人體機(jī)能所產(chǎn)生的生理反應(yīng)作為計算依據(jù)。在HIS提出后，許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上不斷充實，提出了一系列新的指標(biāo)。其中較為完善的一種指標(biāo)為有效熱強度指數(shù)EHSI(Effective Heat strain Index)，其計算程序主要是依據(jù)輻射、對流和蒸發(fā)的熱交換方程，同時結(jié)合人體機(jī)能的新成代謝、出汗等生理反應(yīng)。

不同的評價指標(biāo)有著各自的特點，也有其局限性。將不同的標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)聯(lián)合應(yīng)用，可對熱環(huán)境尤其是極端熱環(huán)境做出更加準(zhǔn)確的評價，并對可能發(fā)生的熱害進(jìn)行有效的預(yù)防。常用的熱環(huán)境評價指數(shù)考慮的因素見表1。

表1 常用的熱環(huán)境評價指數(shù)考慮的因素

2.2 國內(nèi)相關(guān)規(guī)范

TB 10204-2002《鐵路隧道施工規(guī)范》、JTGF 60-2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》、SL 303-2004《水利水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范》規(guī)定隧道內(nèi)氣溫不得超過28 ℃?！睹旱V安全規(guī)程》(2010年頒發(fā)) 規(guī)定，生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26 ℃，機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度不得超過 30 ℃；當(dāng)采掘工作面的空氣溫度超過30 ℃、機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度超過34 ℃時，必須停止作業(yè)?！兑苯鸬叵碌V山安全規(guī)程》(1990 年頒發(fā)) 規(guī)定:采掘工作面的空氣溫度，不得超過27 ℃；熱水型礦井和高硫礦井的空氣溫度，不得超過27.5 ℃。我國新修訂的GB/T 4200-2008《高溫作業(yè)分級》標(biāo)準(zhǔn)[6]中采用了ISO7243中的 WBGT 指數(shù)作為勞動安全衛(wèi)生分級管理標(biāo)準(zhǔn)，評價與劃分高溫作業(yè)環(huán)境熱強度及其等級(表2)。

表2 高溫作業(yè)環(huán)境熱強度及其等級

注：按照WBGT指數(shù)和接觸高溫作業(yè)的時間將高溫作業(yè)分為四級，級別越高表示熱強度越大。

GBZ 2.2-2007《工作場所有害因素職業(yè)接觸限制 第2部分：物理因素》規(guī)定：在生產(chǎn)勞動過程中，工作地點平均WBGT指數(shù)≥25 ℃的作業(yè)為高溫作業(yè)。常見職業(yè)體力勞動強度分級如表3。

表3 常見職業(yè)體力勞動強度分級表

3 高溫隧道熱害等級劃分

3.1 確定熱害分級評價因素

參考國內(nèi)外研究及查閱我國高溫作業(yè)環(huán)境的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)WBGT指數(shù)對作業(yè)環(huán)境熱負(fù)荷的評價較為合理。但是在高熱環(huán)境下，WBGT 指數(shù)不足以合理評價工作崗位熱害程度。本文以WBGT指數(shù)為基礎(chǔ)，同時考慮圍巖內(nèi)部溫度，作業(yè)時間及強度、作業(yè)人員適應(yīng)能力等，全面、綜合地對熱害級別進(jìn)行科學(xué)的評價。

結(jié)合隧道施工崗位連續(xù)作業(yè)時間，參照表2將WBGT指數(shù)按照29 ℃、33 ℃、37 ℃為節(jié)點，劃分4個區(qū)間((-∞,29]、[29,33)、[33,37)、[37,∞))。參考《鐵路隧道施工規(guī)范》中規(guī)定洞內(nèi)氣溫不能超過28 ℃，以及《煤炭資源地質(zhì)勘探地溫測量若干規(guī)定》規(guī)定原始巖溫高于31 ℃ 的地區(qū)為一級熱害區(qū)，高于 37 ℃ 為二級熱害區(qū)。將巖壁溫度按28 ℃、31 ℃、37 ℃為節(jié)點，劃分為4個等級((-∞,28]、[28,31)、[31,37)、[37,∞))。參考以往隧道圍巖原始巖溫分級，將圍巖5 m深原始巖溫按節(jié)點31 ℃、37 ℃、45 ℃為節(jié)點劃分為4個等級((-∞,31]、[21,37)、[37,45)、[45,∞))。作業(yè)人員對高溫的適應(yīng)能力是指人機(jī)體對熱環(huán)境可出現(xiàn)生理、行為、形態(tài)和遺傳方面的適應(yīng)表現(xiàn)，除了受到高溫環(huán)境因素外還受到作業(yè)強度、連續(xù)作業(yè)時間以及自身衣著情況的影響。本文將人的熱適應(yīng)能力分為強、較強、較弱、弱4個等級。將隧道作業(yè)強度分為輕勞動、中等勞動、重勞動、極重勞動4個等級。把作業(yè)時間按照小于0.5 h, 0.5～1 h, 1～2 h, 大于2 h分為4個區(qū)段?？紤]衣服熱阻將作業(yè)人員的衣著情況劃分為“半裸”“短衣短褲”“短衣長褲”“長衣長褲”4種情況。綜合以上分析，考慮WBGT指數(shù)、圍巖原始巖溫、洞壁溫度、作業(yè)強度、連續(xù)作業(yè)時間以及人體自身衣著和耐熱能力等因素，得出一種綜合指數(shù)的熱害等級劃分方法(表4)。

3.2 計算隧道熱害分級因素權(quán)值

權(quán)系數(shù)的確定合理與否將直接影響到評價結(jié)果的準(zhǔn)確性[7],本文采用層次分析法來確定各指標(biāo)的權(quán)重分配問題。建立熱害分級指標(biāo)層次分析模型(圖1)。

由判斷矩陣(1～9)標(biāo)度及其內(nèi)容,按照客觀環(huán)境因素(WBGT指數(shù)X1、5 m深圍巖巖石溫度X2、洞壁溫度X3)權(quán)重高于人為可控因素(勞動強度X4、勞動時間X5、衣著狀況X6、自身熱適應(yīng)能力X7)，直接影響因素權(quán)重高于間接因素原則，得出判斷矩陣為:

表4 隧道熱害分級

圖1 熱害分級層次分析模型

計算最大特征λmax=7.047。采用最大特征向量法計算權(quán)重：

B=(α1,α2,α3,α4,α5,α6,α7)T

AB=λmaxB

λmax=7.047代入求解得：

B=(0.384,0.128,0.192,0.100,0.077,0.055,0.064)T

一致性檢驗：

查閱隨機(jī)一致性值可知，判斷矩陣的隨機(jī)一致性RI=1.320，隨機(jī)一致性比率：

0.006<0.1故判斷矩陣具有滿意的一致性。

3.3 熱害分級評價集

評價集是對評判對象可能的結(jié)果所組成的集合[8]。本文將熱害由輕到重分為4個等級Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ，評價集Ⅴ={Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ}，為了量化熱害等級，對單因素評價集賦值：Id=1,Ⅱd=2,Ⅲd=3,Ⅳd=4；綜合因素評價集賦予取值范圍:[1.0,1.5),[1.5,2.5),[2.5,3.5),[3.5,4],分別對應(yīng)Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ級熱害(表5)。

影響隧道施工熱環(huán)境的7個因素可以實測或根據(jù)具體實際情況定義(比如勞動強度可根據(jù)崗位作業(yè)性質(zhì)查表3《常見職業(yè)體力勞動強度分級表》確定其“輕”“中”“重”“極重”)。根據(jù)表4《熱害預(yù)測分級表》，各單因素的的隸屬度即xd，xd∈{Ⅰd,Ⅱd,Ⅲd,Ⅳd}={1,2,3,4},各單因素加以權(quán)重得到綜合因素分級評價：

R=XdB=(x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7)(α1,α2,α3,α4,α5,α6,α7)T

4 應(yīng)用實例

4.1 工程概況

豐順?biāo)淼牢挥诿飞强蛯?MSSG-3標(biāo))范圍內(nèi)，進(jìn)口位于梅州市豐順縣建橋鎮(zhèn)，出口位于梅州市豐順縣石聯(lián)村，全長14 407 m。隧址區(qū)DK48+520～DK54+430、DK54+630～DK55+985、DK58+665～DK60+815段存在高地溫危害，且圍巖為Ⅲ圍巖,施工循環(huán)作業(yè)所占時間(h)見表6。

表6 豐順?biāo)淼勒锤骷墖鷰r每循環(huán)作業(yè)時間 h

4.2 熱害分級結(jié)果

根據(jù)表4《隧道熱害分級表》以及表5《熱害等級R值判斷》，并結(jié)合隧道溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)與工種分析，對高溫段隧道施工不同循環(huán)作業(yè)的熱害等級進(jìn)行評價。其中，工作強度按照表3《常見職業(yè)體力勞動強度分級表》進(jìn)行分級評價。服裝根據(jù)現(xiàn)場管理要求：鉆孔作業(yè)人員為“半裸”，其余作業(yè)人員為“短衣短褲”。隧道施工組織設(shè)計中，施工現(xiàn)場對作業(yè)人員的熱適應(yīng)能力有較高的要求，特別是鉆孔及系統(tǒng)支護(hù)作業(yè)，其作業(yè)人員的熱適應(yīng)能力應(yīng)達(dá)到“強”的要求，而其他作業(yè)人員的熱適應(yīng)能力應(yīng)達(dá)到“較強”的要求。隧道邊墻部位的5 m巖溫值在32～37 ℃。熱害等級評價結(jié)果見表7。

5 結(jié)論

通過以上分析，得到以下結(jié)論：

(1)在WBGT指數(shù)相同條件下，輕勞動、短時間作業(yè)的熱害等級與高強度、長時間作業(yè)的熱害等級有明顯差別。

(2)客觀環(huán)境因素是熱害等級評價的主導(dǎo)因素(WBGT指數(shù)X1、5 m深圍巖巖石溫度X2、洞壁溫度X3)，因此，在高溫隧道施工過程中，主要通過加強通風(fēng)、隔熱、使用冰塊、灑水等措施降低洞室氣溫，以減少客觀環(huán)境中高溫對作業(yè)人員的健康危害。

表7 隧道正洞各級圍巖每循環(huán)作業(yè)熱害等級

(3)人為可控因素(勞動強度X4、勞動時間X5、衣著狀況X6、自身熱適應(yīng)能力X7)，仍然是不可忽略的因素。在熱環(huán)境下，合理組織、調(diào)節(jié)、改善人為可控因素，也可以降低客觀高溫環(huán)境的危害等級。比如，作業(yè)工人穿戴熱阻較小的衣服，組織熱適應(yīng)力強的工人進(jìn)行高強度作業(yè)，以及提高工作效率降低作業(yè)勞動時間等措施，可以達(dá)到降低隧道熱害等級的目的。