高速铁路隧道有毒物质环境下修建技术研究(2)

根据周边预注浆控氡机制，采用有限元法建立隧道断层破碎带处的数值分析模型，计算出不同注浆厚度下氡气析出量减少百分比，见表1。注浆厚度为3 m时，隧道内析出的氡气减少39.19%，在3～6 m时，氡气析出明显变缓。因隧道总体析出的氡气较小，综合考虑通风、喷雾洒水等措施，注浆厚度为3 m时满足要求。

图1F1断层地质图Fig. 1 Geology of fault F1

注浆厚度/m减少百分比

超前注浆加固圈固结范围为开挖轮廓线外3 m，如图2所示。每一循环注浆长度约为30 m。按注浆孔扩散半径2 m，孔底间距3 m布置，采用纯水泥浆液(水灰比1∶1)。注浆完成后，在开挖轮廓线范围内打设检查孔，监测注浆效果，检查完后，及时采用M10水泥砂浆全孔封堵检查孔。

2.2隧道结构加强

为有效防止射线照射及氡气逸出，研究混凝土气密性和加强隧道衬砌结构[12-13]。

2.2.1 气密性混凝土

影响气密性混凝土配制的参数主要有水胶比、用水量、气密剂掺量、砂率和减水剂掺量等。综合分析，采用正交试验方法按5因素3水平进行试验考察，共计18组试验，因素水平安排表见表2。

图2注浆钻孔正面示意图(单位： cm)Fig. 2 Schematic diagram of layout of grouting holes (unit: cm)

表2因素水平安排表Table 2 Schedule of factor level水平因素水胶比用水量/kg气密剂掺量/%砂率/%减水剂掺量/%10..620..030..4

5种因素对混凝土气密性的影响程度见图3。其中气密剂掺量影响最大，根据正交试验得到气密性混凝土最佳配合比，即水胶比为0.36，单方用水量为150 kg，气密剂掺量为10%，砂率为42%，减水剂掺量为1.4%。经测试，其透气系数为0.6×10-13cm/s。

f2.2.2 隧道衬砌结构

隧道内的辐射主要有: 1)围岩本身放射性核素直接释放出的α、β和γ射线； 2)围岩壁析出的氡气。本次研究射线屏蔽和氡气析出阻断机制，以确定隧道衬砌厚度。

2.2.2.1 射线屏蔽

α射线是氦核，β射线是电子流，穿透能力均不强，主要是屏蔽γ射线。根据试验，混凝土对γ射线的吸收规律服从

式中：I为γ射线通过混凝土后的强度；I0为γ射线通过混凝土前的强度；σ为混凝土对射线的质量吸收系数；ρ为混凝土的密度；x为混凝土的厚度。

计算得γ辐射强度的衰减率变化趋势见图4。随着混凝土厚度增加，γ射线强度明显衰减，当混凝土厚度为40 cm时，基本衰减完。

图4混凝土厚度和γ射线强度衰减率的关系

2.2.2.2 氡气析出阻断

围岩壁的氡气析出可看作只有一个暴露表面的无限岩体，衬砌可视作在半无限大均匀多孔介质表面覆盖1层均匀介质的覆盖层。按图5选取计算坐标，射气介质和覆盖层中氡气质量浓度分布可用下列方程描述。

图5覆盖层计算坐标Fig. 5 Overlay calculation coordinates

1)在半无限大射气介质中，x>x0,有方程

2)在覆盖层中，0

式中：D1为氡气在射气介质中的扩散系数，cm2/s；C1为射气介质中氡气的孔隙质量浓度，Bq/cm3；ν为射气介质和覆盖层中的渗流速度，cm/s；λ为氡气的衰变常数，1/s；η1为射气介质的孔隙度；a1为不射气介质产生可移动氡气的能力，Bq/(s·cm3);D2为氡气在覆盖层中的扩散系数，cm2/s；C2为覆盖层中氡气的孔隙质量浓度，Bq/cm3；η2为覆盖层的孔隙度；x0为覆盖层的厚度，cm。

经计算，衬砌厚度与氡气析出率的规律曲线见图6。随着衬砌厚度的增加，隧道洞内氡气的析出量逐渐减小，衬砌厚度为40～60 cm时，氡气析出率下降量明显减少，综合考虑安全性和经济性，衬砌厚度宜取40～45 cm。

图6衬砌厚度与氡气析出率的规律曲线图

综上研究，二次衬砌采用C35素混凝土,拱墙厚度为40 cm，仰拱厚度为45 cm。混凝土内按10%掺加气密剂，混凝土添加35 kg/m3气密剂。隧道二次衬砌示意图见图7。

图7隧道二次衬砌示意图(单位： cm)Fig. 7 Schematic diagram of tunnel secondary lining (unit: cm)

2.3施工防护措施

1)改变传统水封爆炸方法，研究采用化学水袋和化学水炮泥联合充填炮眼，大幅降低开挖爆炮时的粉尘，平均降尘效率达48%。

2)经试验对比，采用并用式通风方式能较快地将有害物质排出[14]。规范规定最小排尘风速为0.15 m/s，适合粒径小于5 μm的微细粉尘。监测发现隧道内存在粒径为5～50 μm的有害钒粉尘。假设粉尘为球状，通常空气绕过球形粉尘处于紊流状态，根据雷诺数试验，按式(4)计算，得粒径小于50 μm 粉尘的排尘最小允许风速为0.75 m/s。

文章来源：《中国辐射卫生》 网址: http://www.zgfswszz.cn/qikandaodu/2021/0520/803.html