模拟凿破作业肌肉疲劳发展实验研究

易珍，谭倩昱，颜晴琼，马雪梅，肖思敏，易灿南，唐范

(湖南工学院 安全与环境工程学院，湖南 衡阳 421102)

1 引言

凿破作业常见于市政工程、路桥工程、建筑工程和灾后破拆营救中，一般用于破拆钢筋混凝土结构，该作业一般由工人手持笨重的凿破工具如电镐来完成，由于器具笨重、建筑结构构件复杂以及设备振动等原因，作业人员体力负荷很大：力量强度大、姿势不当、长时间劳动、重复次数多以及强烈振动，极易造成肌肉疲劳，甚至会导致工作相关肌肉骨骼损伤(Work-related Musculoskeletal Disorders,WMSDs)[1-4]。

研究作业过程肌肉疲劳，避免作业人员肌肉疲劳累积，是预防WMSDs的重要途径[5]。经文献检索发现，现有凿破作业相关WMSDs研究主要关注该作业的振动所致病理反应、职业风险或者肌肉活动特征，很少关注作业肌肉疲劳发展：XU等[6]对中国北方煤矿工人凿破工具使用的职业风险进行调查；MARCHETTI等[7]研究了振动传导情况；MADEDA等[8]评估了壁面凿破作业中作业人员手传振动风险；李文彬等[9-11]研究了油锯使用过程中振动对掌长肌收缩、振动对手皮肤温和皮肤阻的影响；RASHID等[12]研究了巴基斯坦工人破石作业前后振动暴露和握力下降情况；ALABDULKARIM等[13]研究了模拟机身钻孔作业工作绩效与职业风险。

通过文献检索发现[5-13]，凿破作业肌肉疲劳相关数据采集一般分为2类：现场研究，一般为WMSDs相关主观数据采集，如询问身体各部位疼痛史；实验研究，采集作业过程主观肌肉疲劳评分(Ratings of Perceived Exertion,RPE)、肌力、肌肉活动以及振动传导情况等。与现场研究相比，实验室通过模拟工作条件研究能够克服环境、噪声等影响，可通过采集肌肉疲劳主观和客观数据，更加全面和准确的研究肌肉疲劳发展特征和机理。基于此，本实验关注凿破作业过程肌肉疲劳发展情况，通过设计模拟凿破作业，采集作业前后最大随意收缩(Maximum Voluntary Contraction,MVC)、作业过程最大耐受时间(Maximum Endurance Time,MET)和RPE数据，剖析肌肉疲劳发展特征，降低WMSDs风险。

2 实验方案

2.1 被试

招募14名男大学生参与实验，惯用右手，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，在模拟凿破实验支架(图1)上熟悉凿破施力作业，签署实验知情书并登记个人基本信息，而后在实验员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、跨高、手功能高和膝盖高分别为(19.50±0.85)岁，(172.59±5.16)cm，(72.35±18.22)kg，(24.27±5.95)kg/m2，(140.03±4.31)cm，(104.79±4.63)cm，(96.49±4.38)cm，(74.63±2.94)cm，(49.09±2.18)cm。该实验在实验室内完成，使用真实凿破机器在凿破实验支架上进行作业，温度为21.05(±2.58)℃，相对湿度为68.57(±13.46)%。

2.2 仪器设备

(1)模拟凿破实验支架：①支架固定于墙面上(图1)；②3轴拉/压力传感器(FH3D-45，深圳耐特恩科技有限公司)；将①和②按照图1所示安装，即可测量模拟破拆作业下X，Y，Z三轴方向施力大小。

图1 模拟凿破实验支架子工作台

(2)凿破工具，BOSCH多功能电锤冲击钻GSH9VC(图2)。

图2 凿破工具

(3)握力计(EH101，CAMRY)。

2.3 实验步骤

(1)准备阶段，被试跟随视频进行5 min的身体有氧训练，休息5 min。

(2)最大握力测量，被试在实验员指导下测量115 cm和140 cm高度下最大握力大小(图1中位置A和B)，每位被试测量3次，取最大值为MVC握。

(3)模拟破拆作业阶段，被试手持凿破工具用最大水平力进行凿破，3轴传感器记录X，Y，Z 3个方向施力变化情况，最大水平推力记录为MVC推，作业结束时刻剩余推力记录为F推，最大作业时长记为MET，结束后记录四肢和腰部的RPE。而后被试迅速按照步骤3测量握力，记为F握。一天只进行一次实验，每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。

2.4 数据处理

实验总共记录握力和推力数据各56个(14位被试× 2种高度× 2个时刻)；MET数据和RPE数据各28个(14位被试× 2种高度)。利用Excel汇总整理数据，利用SAS 9.0进行统计分析。

3 结果

3.1 握力、推力和MET

被试握力和推力值如表1所示，MVC握和MVC推均显著大于F握和F推(P<0.0001)。MVC推和F推均显著大于MVC握和F握(P<0.0001)。

表1 握力、推力和MET值

将被试按照BMI大小分为2组，BMI为18.4-23.99记为“N”组，>23.99记为“H”组，分别分析BMI级别和作业高度对握力和推力的影响。ANOVA分析结果显示BMI显著影响MVC握(P=0.029)、MVC推(P=0.025)、F推(P=0.037)和MET(P=0.030)，高度显著影响MET(P=0.033)，BMI和高度对其他因变量影响不显著(P>0.05)，且无二阶效应。

3.2 RPE

ANOVA分析结果显示，仅高度显著影响腰部RPE(P=0.046)，且140 cm高度RPE(4.43±1.34)显著大于115 cm高度(3.36±1.28)，BMI和高度对其他身体部位RPE影响均不显著(P>0.05)。不同身体部位RPE差异显著(P<0.05)，DUNCAN分析结果如表2所示。

表2 不同身体部位DUNCAN分析结果

4 讨论

本实验在实验室模拟了115 cm和140 cm高度凿破工作任务，此2个高度的凿破任务较多存在于建筑工程的房屋装修工程，市政工程、路桥工程以及灾后破拆营救工作中则相对较少出现。根据GB10000-88《中国成年人体尺寸》[14]，此2个高度近似相当于18-60岁男性肘高和肩高，因此此2个高度可反映腰部至肩部高度凿破工作任务下肌肉疲劳发展特征。

凿破作业属于手持振动工具作业，这一类作业肌肉产力能力降幅可通过测量作业前后握力的值来获得[12,15-16]，因此记录了实验前后握力值，握力测量姿势与实际握持凿破工具作业姿势一致，并且随高度调整。对于壁面凿破作业而言，不仅需要握持凿破工具，还需要施加推力才能完成凿破，如XU等[17]在振动工作台上的研究中就记录了实验过程中握力和推力的变化情况，因此本实验还测量了推力。在真实凿破工作中，推力应是X、Y和Z 3轴推力的合成，但通过实地调研和访谈得知，凿破作业过程中钻头与作业面呈90°时，相对较少出现钻头打滑的现象，凿破推进更为平稳、安全，因此在本实验设计中采取钻头90°推进作业面的情况，从所采集数据来看，115 cm和140 cm作业高度上其余2个方向推力相对很小，所以本实验中没有分析这2个分力的大小，即只分析钻头方向的推力。

LIM[18]研究中男性被试双手100 cm和150 cm高度下推力值为520(±174)和482(±165)N，而郑德相[19]测得120 cm和156 cm推力为346(±55)和230(±37)N，采用姿势均为双手推固定支架上的把手。LI Kaiway等[20]测得110 cm高度男性被试双手推力411(±76)N，32.5和42.5 kg负荷任务完成后最大推力分别为309(±84)和305(±84)N，所采用姿势为双手推活动拉杆。本实验中所采用姿势为双手握持凿破工具一值用最大推力推，在姿势上与前三个研究有较大区别，作业前后最大推力值分别为100.49(±27.08)和63.39(±33.38)N，均显著小于前三个研究，推力降幅约为37 N。前三个研究与本实验推力上的差异可能与姿势、施力方式以及使用工具有关：前三个研究中，双手施力力点均位于同一水平高度；本实验中被试右手握持凿破工具手柄、左手握持辅助手柄并施最大力，重量约为12 kg(117.6 N)，被试需要托举设备并用最大力进行作业，从而导致最大推力小于其他实验。RASHID等[12]的研究中，作业前后握力下降为57N，本实验中MVC握和F握分别为435.4(±57.5)N、328.44(±58.44)N，下降幅度约为107 N，这可能与实验设计有关，前者为1 h破石作业，本实验为最大耐力实验，因此造成了肌力的急剧下降。实际作业中可将推力降幅37 N和握力降幅107 N作为判断凿破肌肉疲劳的参考依据。

本实验中140 cm和115 cm下推力和握力差距不显著(P>0.05)，这可能与施力高度有关，此2个高度近似相当于肘高和肩高，施力姿势和所调用肌群差异不大，这与2种高度下身体各部位RPE差异不大基本保持一致：140 cm高度下右手、左手、腰部、左腿和右腿RPE分别为5.71(±2.23)、3.50(±1.16)、4.43(±1.34)、1.86(±1.10)和3.86(±1.17)，115 cm高度下则为6.21(±1.58)、3.29(±1.38)、3.36(±1.28)、2.36(±1.74)和3.64(±1.60)，仅腰部RPE存在显著差异(P=0.046)，140 cm高度为“有点强”而115 cm高度为“中等”，这可能与高度有关，高度越高，被试为支撑工具而身体往后仰的幅度增大，腰部施力增大。本实验施力姿势下，右手RPE最高(5.96±1.91，强)，腰(3.89±1.40，中等)、右腿(3.75±1.38，中等)和左手(3.39±1.26，中等)次之，左腿(2.11±1.45，弱)最低，可见右手最疲劳，这也与施力姿势有关，右手不仅需要握持设备，还需要用最大力往前推进，由此可见本作业中右手是WMSDs风险最高部位。

高度显著影响MET(P=0.033)，140 cm和115 cm高度下MET分别为68.29(±22.34)s和96.43(±44.80)s，说明140cm高度下肌肉疲劳累积更快。140cm高度将近肩膀高度，被试需要托举凿破工具并施力，因此所能坚持时间更短，推力也更小(表1)。本实验结果显示：①BMI越高者肌肉产力能力越大，“H”组MVC握、F握、MVC推和F推分别为459.48(±37.16)N、342.37(±44.28)N、107.15(±33.07)N和74.13(±31.76)N，而“N”组则分别为411.32(±65.09)N、314.51(±68.66)N、80.41(±2.52)N和49.59(±24.27)，2组间，“H”组MVC握、MVC推和F推均显著大于“N”组(P<0.0001)，虽F握差异虽未达显著，但“H”组稍大于“N”组；②“H”组和“N”组之间身体各部位RPE影响不显著；③BMI显著影响MET(P=0.030)，且“H”组(67.93±22.81 s)显著小于“N”组(96.79±44.32 s)，这可能与耐受力有关，MET为一次连续作业所能坚持的最长时间，体现了被试的耐受程度，文献检索也发现肥胖与耐受力的负相关性，如李新等[21]发现肥胖与心肺耐力负相关，闫晓晋等[22]发现13-18岁汉族学生肥胖与耐力负相关，李滢柯等[23]以及胡正春等[24]的研究也发现了超重青少年BMI与耐力跑的负相关性。本实验中BMI与肌力以及RPE的关系与易灿南等[25]研究结果一致，而BMI“H”组MET小于BMI“N”组，在其他施力作业或者其他BMI分级是否出现同种情况，还需要进一步研究。

凿破作业姿势因作业地点和高度而异，本实验仅模拟了115 cm和140 cm壁面高度下凿破作业过程，虽然这2个高度的研究成果能为腰部以及肩膀附近高度的凿破作业肌肉疲劳提供实际指导，但是其他作业地点如地面作业、天花板作业、狭窄空间作业以及其他高度如图1中所示40 cm、65 cm、90 cm以及165 cm高度下会呈现何种特征还需要进一步研究。另外，本实验为模拟静态凿破作业，并没有开启设备，与真实作业还存在一定差别，施力方式也与真实作业存在差异，为获得更加贴近实际的研究成果，还需要进一步深入研究。

5 结论

(1)凿破作业前后推力、握力存在显著差异，降幅分别为37 N和107 N；高度对MET和腰部RPE影响显著，对握力、推力以及四肢RPE影响不显著，140cm高度下肌肉疲劳累积更快；凿破作业WMSDs风险最高部位是右手，实际作业过程中应重点关注右手的肌肉疲劳累积问题。可通过研究推力、握力、MET和RPE来分析其他凿破作业及类似手持振动工具作业肌肉疲劳问题。

(2)凿破作业中BMI“H”组拥有更大推力和握力，即肌肉爆发力强，但是耐受力差，显著低于“N”组。实际凿破作业中，可根据工作任务难度来合理安排作业人员。

(3)本实验仅对比分析了115cm和140cm 2个高度和“H”和“N”2类BMI下静态凿破作业肌肉疲劳发展特征，其他高度、其他BMI分类、动态作业以及振动因素影响下肌肉疲劳发展呈现何种特征，还需要更进一步研究。