《International Journal of Industrial Ergonomics》：High-altitude tunnel construction management optimization strategies based on workers' energy metabolism rate: Work duration control and oxygen supply measures
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本研究通過實地測試和自行車功率模擬實驗，系統評估高原環境下隧道施工工人的能量代謝率變化，提出工作時長控制標準及“3區+5供氧”策略，實施后工人效率提升13.6%-28.6%，高原缺氧相關醫療事件歸零，有效保障了施工安全與效率。
趙樹雷|文思順|郭亞林|郭宗成|李東|蘇克|王帥帥|郭春
中國西南交通大學土木工程學院，交通運輸隧道工程教育部重點實驗室，成都，610000
摘要
基于人體工程學的施工管理措施可以有效降低高海拔隧道工人的施工風險并提高施工效率。本研究通過現場測試和自行車功率模擬實驗，系統評估了高海拔環境對施工工人呼吸代謝參數和能量代謝率（EMR）的影響。基于這些發現，制定了高海拔隧道施工的工作時長控制標準以及針對性的氧氣供應策略。結果顯示，能量代謝率隨海拔高度顯著增加：在2500米時，不同工序工人的能量代謝率為8至11千焦/（分鐘·平方米）；在4700米時，該數值上升至10至14千焦/（分鐘·平方米）。3400至3800米范圍被確定為關鍵的生理適應區。在4000米以上的高度，某些任務的MET水平會隨海拔變化而顯著改變，個體適應能力的差異也更加明顯。基于能量代謝率的變化，制定了高海拔隧道施工的工作時長控制標準。此外，首次提出了“三區域+五項氧氣供應措施”的施工方法。實施后，在干預前后的六周監測期內，工人效率提高了13.6%至28.6%，因缺氧需要醫療治療的案例從每周10至15例降至零，顯著提升了施工安全性。研究結果為高海拔隧道工程的管理提供了理論基礎，并為保障工人健康和提高施工效率提供了科學支持。這些發現也可為其他高海拔工程項目提供參考。
引言
近年來，為了加快道路網絡的建設，中國的交通基礎設施逐漸擴展到西部山區以及青藏高原的邊緣和腹地。這導致高海拔和超高海拔隧道建設項目數量顯著增加（Chen等人，2020年；Zhao等人，2025c、2026年）。據不完全統計，中國已完成近一百座高海拔和超高海拔隧道，其海拔高度和建設長度仍在持續增加。隨著建設規模的擴大，高海拔地區的隧道施工工人數量也穩步增長（Zhao等人，2024a年；Gao等人，2024年）。高海拔環境的特點是氣壓低、氧氣含量低。在這種條件下，人體為了滿足氧氣和能量代謝的需求，心率和呼吸頻率會顯著增加（Song等人，2025年）。盡管這些適應性變化可以暫時滿足身體的需求，但長期的高負荷會加重心血管系統的負擔，增加能量消耗和疲勞，可能導致高原病或慢性疲勞綜合癥（Zhang等人，2024b年；Wang等人，2024年）。據統計，在2001年6月至12月青藏鐵路隧道建設期間，共報告了36例急性高原病病例，其中24例發生在4800至5010米之間，占比66.7%（Sun和Zen，2005年）。Yang等人（2022年）通過對平原和高海拔地區煤礦工人的休息狀態進行比較監測，發現長期間歇性暴露在高海拔環境中會導致呼吸加快、循環系統受損，并引發嚴重的交感-副交感神經失衡。Wang等人（2022年）對高海拔地區的煤礦工人進行了血液檢測，發現他們的血液樣本中尿酸、總膽固醇、肌酸激酶和N端骨鈣素的含量明顯高于低海拔礦區工人。監測結果顯示，這些物質和脂肪相關的能量消耗顯著高于低海拔地區。
顯然，高海拔地區的施工工人面臨嚴峻的挑戰，他們的生理負擔遠高于平原地區的工人。繁重的體力勞動還增加了高海拔疾病（如高海拔腦水腫）的風險（Chang等人，2009年；Lee等人，2024年），這些疾病甚至可能危及工人的生命（Maynard等人，2021年；Abdollahi等人，2024年）。因此，基于人體工程學的施工管理措施至關重要。通過分析工人的生理需求，實施合理的工作安排、休息周期和針對性的保護措施，可以減輕工人的身體負擔并提高工作效率（Han等人，2020年；Antwi-Afari等人，2023年；Anwer等人，2021年；Zhao等人，2025a年；Zhao等人，2025b年）。
能量代謝率（EMR）是指人體在特定時間內消耗的能量，直接反映了工人的工作強度和生理適應性（Jiao等人，2023年；Umer等人，2022年）。許多學者使用可穿戴設備系統來測量EMR，并評估酒店客房服務員（Duyen等人，2023年）、施工工人（Hsu等人，2016年）、草坪護理工人（Bernardi等人，2023年）等不同工作環境中的疲勞程度，提出了有效的緩解措施。由于高海拔地區的獨特環境條件，施工工人對低氧環境中的生理反應更為敏感。因此，分析缺氧條件對其能量代謝的影響既具有針對性又具有實際意義。這不僅揭示了高海拔環境對隧道施工工人的生理機制，還為安全保障、勞動強度管理和施工效率提升提供了寶貴支持（Chang等人，2009年；Zhao等人，2025年）�，F有研究表明，高海拔環境會導致能量代謝率增加。例如，Geissler和Aldouri（1985年）研究了高海拔運動對心血管系統的適應機制，發現大氣壓力的降低會刺激交感神經系統，從而增加靜息代謝率。他們還指出，在高海拔地區，人體的主要能量來源逐漸從碳水化合物轉變為游離脂肪酸。Liu等人（2014年）在不同大氣壓力（0.8、0.9、0.95和1.0大氣壓）下測量了坐姿和跑步（5.4公里/小時和12.6公里/小時）活動的MET，發現隨著大氣壓力的降低，代謝當量（MET）顯著增加。例如，在0.8大氣壓環境下，三種活動的MET分別增加了15.7%、22.0%和20.2%。在壓力艙實驗中，Liu等人（2024年）還探討了大氣壓力對MET的影響，發現當大氣壓力從72.1千帕降至66.2千帕時，坐姿和步行（1、2、3、4公里/小時）的代謝率分別增加了4.8%、7.2%、3.5%和4.3%。當大氣壓力進一步降至61.9千帕時，代謝率分別增加了3.0%、9.8%、6.4%、5.0%和2.4%。
總之，盡管高海拔、低氧環境對個體有顯著的不利影響，但針對施工工人的研究較少，關于針對這些工人的管理措施的研究更是寥寥無幾。為填補這一空白，本文通過現場測試和騎行模擬實驗，系統分析了高海拔條件下不同施工工序中工人能量代謝率的變化。基于人體工程學原理，本文提出了合理的工作時長控制標準和氧氣供應策略，為優化高海拔隧道施工的工作效率和保護工人健康提供了實用可行的施工管理方案。研究結果具有重要的實際意義，可為其他高海拔建設項目提供參考。
高海拔隧道施工工人能量代謝率（EMR）的計算方法
目前，中國有兩種標準用于計算高海拔地區施工工人的EMR：TB/T 2607—2006《鐵路行業體力勞動強度分類》和GBZ/T 189.10—2007《中華人民共和國職業健康標準—工作場所物理因素測量 第10部分：體力勞動強度分類》。這兩種標準采用相同的計算方法，均基于每分鐘肺通氣量
勞動過程與騎行功率之間的對應關系
以VO2為例，對1號隧道和2號隧道的施工和騎行測試結果進行了雙向方差分析（ANOVA）。如表1所示，調整騎行設備的功率輸出和參與者的踏頻后，騎行實驗與實際施工過程中VO2的差異很小。對于所有工序，雙向方差分析的p值均大于0.05，
討論
由于高海拔隧道施工現場的實際勞動力構成所施加的客觀限制，本研究僅招募了健康、已適應高海拔環境的漢族男性工人。現場調查顯示，漢族男性占一線勞動力的90%以上，女性工人很少，其他民族群體的比例也很低（例如藏族）。此外，漢族工人通常對缺氧更為敏感
結論
隨著中國高海拔隧道建設項目數量的不斷增加，高海拔隧道施工管理的有效性已成為一個亟待解決的問題。本文基于現場測試和騎行模擬實驗，系統分析了高海拔環境下施工工人能量代謝率（EMR）的變化，并探討了如何應對高海拔施工中的各種挑戰
作者貢獻聲明
趙樹雷：撰寫——初稿、軟件開發、方法論設計、數據收集。文思順：撰寫——審稿與編輯、方法論設計、數據收集。郭亞林：數據驗證、資源協調。郭宗成：項目管理、數據審查。李東：數據驗證、監督工作。蘇克：資源協調、數據整理。王帥帥：撰寫——審稿與編輯。郭春：項目管理、資金籌集、概念構思。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
本工作得到了四川省交通運輸與物流科技項目（2021-ZL-04）、那曲市科技計劃項目（NQKJ-2024-08）和西藏自治區科技計劃項目（項目編號XZ202502ZY001402）的支持。
