混凝土地面破拆作业肌肉疲劳研究

易灿南，李开伟,2，胡鸿，刘美英，郑艳芳，何佳媛，龙桐

(1.湖南工学院 安全与管理工程学院，湖南 衡阳 421102;2.台湾中华大学 工业管理系，台湾 新竹 30012)

1 引言

人工破拆作业广泛存在于建筑工程、市政工程、路桥工程以及灾后破拆营救等各类施工和营救任务中，在这类作业中，作业人员手持工具进行打孔、切割、破碎等工作从而实现拆除、清障。根据手持工具类型，此类作业可以分为2类：手持一般工具和手持振动工具。其中，作业人员利用手持振动工具进行作业时，负荷大、姿势不当、作业时间长、持续施力、作业环境不良以及长时间振动暴露，肌肉疲劳明显，工作相关肌肉骨骼疾患(work-related musculoskeletal disorders，WMSDs)风险高[1-4]。据统计，欧洲17%以上的作业人员一半以上工作时间需要使用手持振动工具，其中 13%的作业人员存在上肢肌肉疼痛[5]。RASHID等[4]研究发现14.3%的碎石工人存在WMSDs症状。在我国，现有研究及调查结果显示从事这一类作业的煤矿工人[1]、建筑工人[6-7]和消防官兵等[8]WMSDs风险高。ISO5439-2001[9-10]以及GBZ/T189.9-2007[11]也规定了这类作业过程的振动测量以及职业卫生接触限值。由此可见人工破拆作业WMSDs风险评估及预防以及成为职业卫生、工效学、安全科学等领域的热点研究问题。

肌肉疲劳累积是导致WMSDs的重要原因。文献检索发现，现有人工破拆作业肌肉疲劳研究主要关注作业过程中振动传导[3-4,12-14]、肌力变化[3-4,15-17]、肌肉活动以及姿势风险[2,18]。例如，REVILLA[3]在实验室模拟2种握持手柄、不同施力姿势和不同施力水平下，振动传导、前臂肌肉活动、握力下降以及手臂不适感；RASHID等[4]测量了碎石工人1 h碎石作业前后握力的变化以及作业过程中振动暴露情况；ADEWUSI等[14]测量了振动实验台上不同姿势、不同施力(推力和握力)水平下的振动传导情况；KIM 和 FERNANDEZ[19]在振动实验支架上模拟不同作用力和手腕弯曲角度下金属板钻孔任务下的最大可接受频率；ALABDULKARIM等人[20]评估了模拟机身钻孔业务的姿势风险。经检索发现，现有研究大多在振动实验平台上进行[14,19]，而真实破拆则以电钻钻孔[15,20]、双手操作大型设备破拆石头[4]作业为主，未检索到建筑工程、路桥工程和人工破拆营救等作业与任务中常见的破拆混凝土作业中的肌肉疲劳研究。

基于此，本研究选取典型人工破拆作业——作业人员手持振动工具进行混凝土地面破拆作业为研究对象，结合手持振动工具工作特征，测量作业过程任务操作量数据(肌力)、主观评分数据和生理数据[21]，探究破拆不同高度混凝土地面作业下作业人员肌肉疲劳发展过程，从而达到减少肌肉疲劳累积和预防WMSDs的目的。

2 对象与方法

2.1 被试

有偿招募6名大学男生参与实验，右手惯用手，身体健康且无WMSDs病史。被试于正式实验之前了解实验目的与过程，在实验平台(图1)上熟悉地面破拆作业，邀请某装修公司水电施工工人讲解破拆工具使用安全注意事项并对被试进行破拆作业培训，直至被试能够安全使用破拆工具进行作业。被试签署实验知情书并登记个人基本信息，而后在主试的指导下独立完成实验。被试年龄、身高、体质量、身体质量指数、肩高、肘高和膝盖高分别为(19.83±0.75)岁，(172.83±3.87)cm，(75.05±9.69)kg，(25.22±3.80)kg/m2，(142.92±2.90)cm，(106.93±2.50)cm，(51.58±2.48)cm。该实验在实验室内完成，使用真实破拆器具在破拆实验平台上进行作业，温度为27.40(±0.77)℃，相对湿度为53.80(±1.99)%。

2.2 仪器设备

(1)破拆实验平台：搭建平台如图1所示，平台尺寸2000 mm×1500 mm×180 mm，平台用厚木板制作且表面做防滑处理，平台与地面之间放置隔垫减振和防滑。制作4个不锈钢混凝土模如图1所示，高模体积为600 mm×300 mm×390 mm，矮模体积为600 mm×300 mm×270 mm。按照常用楼板混凝土砂石比例(C20)以及钢筋敷设制作混凝土，每个不锈钢模内有600 mm×300 mm×120 mm体积混凝土。不锈钢模下层铺有钢板做夹层处理，以避免破拆工具破坏平台；模上设有100 mm高度挡板，以防止钻头打滑造成危险。实验中将模放置于平台上孔洞内，以实现不同高度下混凝土地面破拆作业(高模实现20 cm高度破拆作业，矮模实现0 cm 高度破拆作业)。每次任务破拆1/3个体积混凝土，即200 mm×300 mm ×120 mm。

图1 破拆实验平台

(2)破拆工具：BOSCH电镐 GSH500。

(3)握力计：EH101，CAMRY。

(4)无线表面肌电测量装置：Noraxon16导无线表面肌电(MR3.16)，医用胶带，固定绑带，一次性心电电极片(康任CH50RB)，笔记本电脑一台，肌电数据采集频率2000 Hz。

(5)秒表：上海钻石504。

(6)劳保用品：防护眼镜(3M，10424)，防护口罩(3M，9002V)和防护手套(3M，防滑耐磨防水)。

2.3 实验过程

实验分为2个阶段(图2)，准备阶段和地面破拆作业阶段。在准备阶段进行有氧锻炼、测量最大握力并贴电极片，握力测量3次，最大值记为最大随意收缩(Maximum Voluntary Contraction,MVC)。根据解剖学相关知识、前期实验成果以及预实验结果，此次实验选定测量7个上肢肌群sEMG信号：左右指浅曲肌，左右肱二头肌，左右肱三头肌和右三角肌前束。首先主试去除这些肌群表面毛发、用75%的酒精棉球反复擦拭，将电极片成对贴于各个肌群肌腹处的皮肤表面(沿肌纤维纵轴方向贴)，每对电极片间隔2 cm，电极片和电线均用透明医用胶带进行加固，用双面胶将无线传感器贴于非肌腹处并用胶带进行加固。

图2 实验步骤

此实验为单因素实验，被试进行0 cm和20 cm 2个地面高度下的破拆作业(图1，图3)。每个试次实验时间总长30 min，为保护设备电机和实验安全，设定单次破拆时长40 s，每分钟破拆40 s，休息20 s，30 min内完成30次破拆。每隔5 min，主试询问被试全身主观肌肉疲劳评分(Ratings of Perceived Exertion,RPE)[21]、右手的主观痛感评分(Ratings of Perceived Ache,RPA)以及双臂的主观振动不适评分(Ratings of Perceived Vibration,RA)(表1)。实验结束后马上测量握力，记为GF。实验结束后询问左臂、右臂、腰背、左腿和右腿的局部疲劳RPE评分。被试2次实验之间间隔24 h以上，并且实验前24 h禁止剧烈体力活动。

(a)0cm高度

(b)20cm高度图3 不同高度混凝土地面破拆作业

实验过程中随着破拆的推进，碎渣飞溅并且产生大量粉尘和碎裂混凝土，被试和所有主试均佩戴专业防护口罩，被试佩戴护目镜。实验配备4名主试人员：主试1负责sEMG数据采集和发出破拆、休息指令；主试2负责记录RPE数据、监控被试姿势和擦拭被试汗液；主试3监控粉尘产生情况，若粉尘产生量大则往混凝土上喷洒小水滴增湿以降低扬尘，并且在被试休息时接过主试破拆设备；主试4监控碎裂混凝土量，若产生碎裂混凝土太多影响到破拆推进，在被试休息时间段佩戴专业手套迅速手动移除碎裂混凝土。

2.4 数据处理

实验总共记录24个(6位被试×2个高度×2个时段)肌力数据，192个(全身疲劳数据：6位被试× 2个高度× 6个时段；各身体部位疲劳数据：6位被试×2个高度×5个身体部位)RPE数据，72个(6位被试× 2个高度× 6个时段)RPA和RPV，84组(6位被试×2个高度×7个肌群)无线表面肌电数据。对于无线表面肌电数据，对其进行降噪、整流、滤波(10-500 Hz)、平滑、标准化等处理，标准化处理方式为计算每位被试当次实验的最大值并将该值作为标准化的基准值[22]。每个试次分为30个时段，每个时段取40 s破拆作业的中间30 s的sEMG数据，即去掉前5 s和后5 s数据，记为时段1～30，分析不同时段下频域指标中值频率(Median Frequency，MF)的特征。分别利用Microsoft®Excel 2019和SAS®9.0进行数据汇总和统计分析。

3 结果

3.1 肌力及主观评分数据分析结果

地面高度仅对时段30全身RPE影响显著(P<0.05)，且0 cm高度(5.67±0.52)显著大于20 cm高度(4.50±0.55)；对所有时段GF、RPA、RPV以及其他时段全身RPE均不显著(P>0.05)。地面高度对实验结束后所有身体部位的局部RPE影响均不显著(P>0.05)，但0 cm高度下腰背和右臂RPE均大于20 cm高度(表2)。对MVC和GF进行配对T检验，二者存在显著差异(P<0.05)，MVC(51.43±4.32)N显著大于GF(36.00±6.75)N。对破拆作业过程不同时段的RPE、RPA和RPV进行方差分析，时段对这三者均显著，其p值和F值分别为P<0.0001，F=32.41；P<0.0001，F=17.71；P<0.0001，F=22.10。不同时段下Duncan'S新复极差法分析结果如表3所示。

表3 Duncan分析结果

3.2 sEMG数据分析结果

地面高度对左右指浅曲肌、右肱三头肌以及右三角肌前束MF影响显著(P<0.05)(表4)。不同时段下，各肌群MF并无显著差异(P>0.05)，对不同高度下所有肌群在时段1和30的MF进行配对T检验，也未发现显著差异(P>0.05)。

表4 不同地面高度下各肌群MF值 /Hz

4 讨论

本实验通过任务操作量测量(GF)、主观评价测量(RPE、RPA和RPV)和生理测量(sEMG)研究0 cm和20 cm 高度下人工破拆混凝土地面作业肌肉疲劳发展情况。任务操作量测量握力[3-4,9-10]；主观评价测量基于Borg CR-10量表评价肌肉疲劳，基于自制李克特5级量表测量痛感和振动不适；生理测量采用sEMG测量相关肌群。课题组通过文献调研、现场访谈、姿势分析3个方面综合确定测量肌群：通过对相似作业任务进行调研[23]，发现这类任务中由于弯腰幅度大，腰背肌肉疲劳相当明显；对在学校进行作业的某建筑工程水电施工的几位工人进行访谈，了解他们工作所导致酸痛部位主要存在于上肢与腰背；利用姿势分析工具如工作姿势分析系统(Ovako Working Posture Analysis System,OWAS)和上肢快速评估(Rapid Upper Limb Assessment,RULA)对0 cm和20 cm 高度下人工破拆混凝土作业进行姿势风险评估，2个高度下OWAS评分均为为2141，达到AC3风险等级，0 cm 高度下RULA评分(6分)稍高于20 cm 高度(5分)，但均属于AL3风险等级。在预实验中，课题组采集上肢与腰背相关肌群sEMG数据，但在测量被试腰背竖脊肌sEMG数据时，出现以下2个问题：首先，实验设定为真实路桥工程、建筑工程、灾后人工破拆营救等过程中的混凝土地面破拆作业，被试进行弯腰破拆、坐姿休息的工作/休息方式，这个过程中存在弯腰、站立等动作，频繁的弯腰、坐姿切换导致腰部肌肉频繁拉伸、收缩，从而导致竖脊肌处电极片拉伸、挤压，造成位移；其次，实验中扬尘过大，虽然实验尽量在夏天阴天的时候进行，但由于扬尘问题实验过程开空调且开窗开门，温度有所控制但相对湿度较大，被试上身分泌大量汗液，造成电极片粘性降低，甚至出现脱落。虽然主试利用大量医用胶布对该肌群电极片进行加固，但10 min以后电极片就难以固定，无法采集有效信号。所以本实验中仅采集上肢相关肌群，腰背疲劳则通过主观评价的方式进行。

30 min 地面破拆作业后，握力从(51.43±4.32)N下降到(36.00±6.75)N，降幅为(15.43±5.45)N，疲劳量为30% MVC。全身RPE、RPA和RPV分别从时段5的1.01±0.90、0.33±0.65和0.25±0.45，上升至时段30的5.08±0.79(强烈)、2.83±0.39(比较疼痛)和2.75±0.45(比较疼痛)。肌肉疲劳明显，但没有达到Borg CR-10评分中7 “非常强”的级别；也通过主观测量获得了设备开启过程中振动不适评价以及握持设备并提起、按压等动作导致的手部疼痛评价。在预实验阶段，虽然聘请了专业人员对被试做了安全指导和操作培训，由于被试都是在校大学生，出于安全以及职业卫生(实验过程产生大量粉尘)考量，并没有诱发疲劳到7的级别。在一些疲劳恢复实验中疲劳诱发量为30% MVC[15]，与我们实验基本一致。

2种高度下，时段30全身RPE差异显著，且0 cm高度(5.67±0.52)显著>20 cm高度(4.50±0.55)。虽然地面高度对GF差异不显著，但是0 cm高度下降幅(15.95±5.83)N>20 cm高度(14.92±5.55)N。根据实验结束后身体各部位RPE分析来看，导致全身RPE显著差异的原因在于2种高度下腰背和右臂评分的差异(表2)。在这2个地面高度的实验中，0 cm 高度时，被试需要更大幅度弯腰(图3)，握持设备并且根据破拆任务的推进频繁提起、寻找破拆点、压下，从而导致该高度下腰背和右臂RPE高于20 cm高度。

由于该次实验任务只诱发了30% MVC的疲劳量，负荷不大。研究发现在不同噪声幅度下，MF与平均功率(Mean Power Frequency，MPF)相比，对任何信噪比下都具有相对较小的误差[24]。徐胜等人[25]发现MF指标能够有效反应肌肉疲劳负荷程度不高下的疲劳评估，因此本实验中提取sEMG 频域MF指标。地面高度对左右指浅曲肌、右肱三头肌和右三角肌前束差异显著，这可能由2个高度下(图3)被试姿势和施力方式的差异所导致，这也基本与实验后身体各部位RPE评分结果一致(表2)。破拆过程中，虽然每位被试需要破拆的混凝土体积一样，但被试在破拆点的寻找和施力的方式并不完全一致，有些被试习惯于垂直压下施力，有些被试习惯于垂直压下、斜挑等方式轮流切换，从而造成肌群调用的差异，这可能也就是各时刻点上sEMG数据差异并不显著的原因。绘制2种高度下1-30时段各肌群的MF均值图(图4)以探究MF随时段而变化的情况。发现2种条件下左肱二头肌(图4(c)、(d))、右指浅曲肌(图4 (g)、(h))、右肱二头肌(图4(i)、(h))、和右肱三头肌(图4(k)、(l))均出现下降趋势，0 cm高度下右三角肌前束(图4(m))也出现下降趋势。MF的下降意味着随着破拆的进行，功率谱左移，这些肌群产生了肌肉疲劳[26]。肌肉疲劳研究中，常以MF斜率来描述疲劳发展速率[25,2,27]，因此拟合MF随时段而变化的方程绘制于图4，拟合方程系数即为MF斜率(表5)。斜率的绝对值越大，疲劳累积越快。由表5，0 cm高度下疲劳发生肌群的斜率均大于20 cm高度。这与任务操作量和主观评价数据分析结果一致。

表5 疲劳肌群的实测和预测MF的 ICC和r值

(a)0 cm高度左指浅曲肌

(b)20 cm高度左指浅曲肌

(c)0 cm高度左肱二头肌

(d)20 cm高度左肱二头肌

(e)0 cm高度左肱三头肌

(f) 20 cm高度左肱三头肌

(g)0 cm高度右指浅曲肌

(h)20 cm高度右指浅曲肌

(i)0 cm高度右肱二头肌

(j)20 cm高度右肱二头肌

(k)0 cm高度右肱三头肌

(l)20 cm高度右肱三头肌

(m)0 cm高度右三角肌前束

(n)20 cm高度右三角肌前束

利用所获得拟合方程，对MF进行预测。对实测MF和预测MF进行相似性分析和相关分析[28-29](表5)，相似性分析用组内相关系数(Intraclass Correlation Efficient,ICC)(ICC介于0～1之间：ICC<0.4，信度较差；ICC介于0.4～0.75之间，信度一般；ICC>0.75，信度良好)表示，相关性分析则用皮尔森相关系数r(|r|≤1，越靠近1，越相关)表示。发现除20 cm高度下右肱三头肌外，实测和预测MF具有较好的相似性和相关性。20 cm下右肱三头肌预测MF相似性和相关性差的原因可能如下：肱三头肌与肘部伸展有关，该高度下地面破拆作业中右臂能够相对较快寻找到破拆点，右臂基本处于屈肘状态，因此疲劳累积相对较慢。但是如果实验时间加长，该高度破拆作业下肌肉疲劳累积也会变得明显。

以往研究发现，肌肉疲劳主观评分数据与操作任务测量数据以及生理指标具有很好的一致性[30-36]，并能基于它们之间的关系，构建一些RPE方程：如，周前详等[30]构建了基于EMG疲劳能量的RPE方程，胡鸿等人[31-32]构建基于肌力的RPE模型，刘光达等人[35]构建了以时域和频域组合指标的RPE方程。在此，尝试分析地面破拆作业过程中全身RPE评分和各肌群MF的关系。首先对时段5、10、15、20、25、和30下的全身RPE和各肌群MF数据进行相关分析(表6)，发现左肱二头肌、右指浅曲肌、右肱二头肌和右肱三头肌与RPE均显著相关(|r|≥0.66，P<0.05)。因此推测全身RPE与以上4个测量肌群的疲劳有着某种关系。对RPE及以上4个肌群进行多元线性回归，采用逐步回归算法，并进行共线性诊断。发现左肱二头肌、右指浅曲肌以及右肱二头肌偏相关，偏相关系数分别为-0.57(P=0.066)、-0.55(P=0.079)、-0.55(P=0.081)。因此得到全身RPE与sEMG数据的关系：RPE=25.42-0.425×MF右肱二头肌 (R2=0.84，P=0.001)。

表6 相关分析

RPE方程的获得进一步验证了sEMG数据与主观评价数据的一致性。但由于在本实验中并没有采集腰背sEMG数据，同时由于主观评分汇报比较多(RPE、RPA、RPV)，为减少被试主观评分太多而造成评分值误差，也没有采集不同时段下腰背RPE评分，因此本文所获得RPE方程并没有包含影响全身疲劳评分较大的腰背数据。当采集更多sEMG数据情况下，腰背sEMG是否也与左肱二头肌sEMG存在偏相关，需要进一步实验进行探索。

本研究存在以下缺陷。首先，本实验并没有采集腰背sEMG信号，不能客观评价腰部肌肉疲劳。基于腰背RPE评分(表2)，腰背疲劳较为明显，在后续的研究中，课题组将调整实验设计，例如采用Li等人[37]采用的强力胶带的方式进行固定或者采用阵列式传感器[38]采集更多肌群sEMG信号，以全面评估作业过程中的肌肉疲劳情况。其次，出于安全和职业卫生防护考虑，作业时长和破拆混凝土体积都不大，与实际破拆作业存在一定的区别，在后期将尽量加大作业时长和破拆混凝土体积，增加破拆难度，进一步深入、全面探讨破拆作业过程肌肉疲劳发展。再次，本次所招募被试为大学男生，虽然经过了专业训练，但在体能与破拆技巧上与专业人员存在一定差别，例如在RASHID等人[4]的研究中，现场破碎石头作业1 h以后，握力下降5.86 kg，但疲劳量仅为10.06% MVC，该值<本实验(30% MVC)，当然这种差异也可能与所选择的工具型号有关，本实验中采用的是相对较小电镐，而RASHID等研究中采用的是大号器具，在他们实验中双手处于同一水平面握持，相对较为容易，以后将考虑聘请具有一定工作年限的专业人士进行破拆，以降低体能和破拆技巧差异带来的影响。最后，此次实验中只使用了1种破拆工具对C20楼板混凝土进行破拆，其他型号破拆工具以及其他破拆对象如墙体、路面并没有考虑，后期将继续开展相关方面的进一步研究。

5 结论

(1)人工破拆混凝土地面作业容易造成肌肉疲劳累积，握力下降，全身RPE上升，握持手柄施力手痛感以及手传振动不适明显，在地面破拆作业中要合理安排工作降低WMSDs风险。

(2)不同地面破拆高度下，腰背和右臂RPE评分差异比较明显，且均为0 cm高度大于20 cm高度，建议在较低地面破拆作业中采用较大型设备以实现较低身体弯曲幅度进行操作，降低腰背WMSDs风险。

(3)地面破拆作业中，上肢地面人工破拆作业中左右肱二头肌、右指浅曲肌、右肱三头肌疲劳累积明显，0 cm高度下右三角肌前束也出现疲劳累积明显现象，每工作一段时间后，建议适当休息并制定相关的干预策略缓解这些肌群的疲劳。