張振華， 白永厚， 郭 春,*， 程江浩

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031；2. 中交二公局第四工程有限公司， 河南 洛陽 471013)

0 引言

隨著隧道施工機(jī)械化程度不斷提高，各種大功率施工機(jī)械產(chǎn)生的噪聲已經(jīng)成為危害作業(yè)人員健康的首要因素[1]。然而,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于隧道內(nèi)的噪聲研究多集中于運(yùn)營階段，主要是對(duì)隧道路面材料、墻體構(gòu)造以及其他降噪材料在隧道內(nèi)的運(yùn)用效果進(jìn)行研究[2-5]。魏慶朝等[6-7]對(duì)隧道內(nèi)主動(dòng)降噪系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)噪聲頻率越低、主動(dòng)降噪效果越好，降噪幅度為3～8 dB。王智勇等[8]對(duì)隧道機(jī)械化施工中的噪聲狀況及其危害進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)管理技術(shù)人員高頻聽力損傷發(fā)生率為24.3%。楊增祥等[9]提出了一系列隧道施工噪聲控制措施，通過改革工藝并選用低噪聲設(shè)備，使得洞內(nèi)噪聲符合國家衛(wèi)生健康委員會(huì)規(guī)定的允許工人日接觸85 dB噪聲時(shí)間不超過8 h的標(biāo)準(zhǔn)。尚雷等[10]選擇184名有不同程度聽力損傷的隧道作業(yè)工人進(jìn)行體檢分析，結(jié)果顯示，聽力呈全聽閾廣泛性受損，6 000 Hz處聽力曲線最低，聽力損傷最重。王春雪等通過試驗(yàn)研究得出，施工人員作業(yè)疲勞易受噪聲影響，持續(xù)作業(yè)15 min后噪聲對(duì)施工人員作業(yè)疲勞程度影響顯著，作業(yè)疲勞程度與作業(yè)環(huán)境中噪聲值呈正相關(guān)關(guān)系[11]；噪聲對(duì)人的安全注意力具有較為顯著的影響作用，安全注意力的廣度、穩(wěn)定性、分配、轉(zhuǎn)移均受噪聲影響，安全注意力的穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)移隨噪聲的增大而降低[12]。

目前研究熱點(diǎn)多集中在隧道噪聲對(duì)工人的健康損害方面，而對(duì)隧道噪聲空間分布特性、傳播特性研究較少，對(duì)施工噪聲在隧道內(nèi)的衰減特性沒有充分認(rèn)識(shí)，也就無法提出有效的降噪方案。隧道施工期間，其作為一個(gè)長度、斷面積、壁面材料均動(dòng)態(tài)變化的開口長空間，一個(gè)顯著特點(diǎn)是由于長度遠(yuǎn)大于寬度和高度，其聲場(chǎng)不擴(kuò)散，因而經(jīng)典聲學(xué)理論不適用[13-14]。因此，研究隧道施工期間全長范圍內(nèi)的真實(shí)聲場(chǎng)分布特性是困難的，可行的做法是結(jié)合隧道施工的特點(diǎn)，研究其主要噪聲源附近的聲場(chǎng)分布特性。隧道施工期間人員、機(jī)械多集中于掌子面，主要噪聲源也隨著掌子面的推進(jìn)而移動(dòng)。研究隧道掌子面的噪聲分布特性是對(duì)隧道內(nèi)施工人員進(jìn)行健康評(píng)價(jià)的先決條件，在此基礎(chǔ)上提出的施工人員噪聲防護(hù)才是切實(shí)可行的。

我國多數(shù)公路隧道采用新奧法施工，本文基于新奧法隧道鉆爆施工的技術(shù)特點(diǎn)，開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并將實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究鉆爆法施工隧道掌子面鉆眼過程中的噪聲頻率、空間分布及其在隧道內(nèi)的衰減特性，以期為隧道內(nèi)噪聲的治理和施工工人的噪聲防護(hù)提供噪聲暴露水平參考，為施工噪聲治理提供方向。

1 鉆爆法施工隧道噪聲現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 工程概況

圭嘎拉隧道為拉澤快速路的控制性工程，采用雙洞單線形式，平均海拔4 200 m，長12 850 m。主洞采用三心圓斷面，單洞內(nèi)輪廓凈空斷面面積為65.65 m2(不含仰拱、不設(shè)超高)及81.42 m2(含仰拱)。圍巖等級(jí)以Ⅳ級(jí)圍巖為主，主洞及斜井均采用鉆爆法施工。

1.2 測(cè)試方法

噪聲測(cè)試儀器選用PAA6型雙通道音頻測(cè)試儀、愛華AWA6223型聲校準(zhǔn)儀，符合GB 12523—2011《建筑施工場(chǎng)界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 15173—2010《電聲學(xué)聲校準(zhǔn)器》要求。為防止掌子面風(fēng)流干擾數(shù)據(jù)采集，測(cè)試過程中傳聲器外套防風(fēng)罩。測(cè)點(diǎn)布置以鉆炮眼工序?yàn)槔?，距離掌子面0～100 m，沿隧道中心線，每隔10 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，麥克風(fēng)傳感器放置高度為1.5 m，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試時(shí)長5 min，測(cè)量3次，求取該測(cè)點(diǎn)有效數(shù)據(jù)的平均值代表該工序在該測(cè)點(diǎn)下的等效連續(xù)聲壓級(jí)。測(cè)試過程中，二次襯砌臺(tái)車暫停噪聲較大的施工活動(dòng)，以防止干擾掌子面測(cè)試結(jié)果。聲源和測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 聲源和測(cè)點(diǎn)分布圖

采用礦山法施工的長大隧道掌子面附近空氣通常為高粉塵、高濕度、高溫度，這些內(nèi)環(huán)境因素均會(huì)影響空氣密度和阻尼等特性，進(jìn)而影響噪聲在空氣中的傳播速度和衰減速度。采用干濕計(jì)測(cè)試掌子面空氣濕度，采用便攜式紅外線溫度計(jì)測(cè)試掌子面空間溫度。測(cè)試前所有儀器均已調(diào)零。

1.3 測(cè)試結(jié)果

掌子面鉆炮眼作業(yè)采用人工打眼形式，掌子面臺(tái)車采用3層臺(tái)架，現(xiàn)場(chǎng)最多共有13臺(tái)YT-28型氣動(dòng)鑿巖機(jī)同時(shí)作業(yè)，布置形式為第1層6臺(tái)、第2層4臺(tái)、第3層3臺(tái)。距離掌子面最近的測(cè)點(diǎn)布置在臺(tái)車下行車通道中部，距離最近的鑿巖機(jī)橫向距離超過2 m，測(cè)試過程中13臺(tái)鑿巖機(jī)同時(shí)運(yùn)行，忽略隨著鉆眼深度的變化導(dǎo)致的鑿巖機(jī)輻射聲功率的變化。

沿隧道軸線測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)逐漸減小，距離掌子面最近測(cè)點(diǎn)測(cè)得最高聲壓級(jí)穩(wěn)定在108.9 dB(A)，距離掌子面最遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)測(cè)得最低聲壓級(jí)89.5 dB(A)。距掌子面10 m距離空間的施工人員分布較為集中，平均聲壓級(jí)為106.63 dB(A)。掌子面前10 m空間內(nèi)噪聲衰減迅速，10～80 m衰減速率趨于平緩，80 m以外衰減速率加快。

為了解鉆炮眼工序主要噪聲源——?dú)鈩?dòng)鑿巖機(jī)聲輻射的頻譜特性，對(duì)單臺(tái)鑿巖機(jī)鑿巖時(shí)的聲輻射進(jìn)行測(cè)試，其1/3倍頻程頻譜圖如圖2所示。測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)鑿巖機(jī)聲輻射具有明顯的指向性，出風(fēng)口方向噪聲明顯大于手持握把方向。具體為全頻段噪聲，覆蓋20～20 000 Hz，以中高頻噪聲為主，其中2 500 Hz頻率段噪聲尤其突出，達(dá)到了100.6 dB(A)。

圖2 單臺(tái)鑿巖機(jī)噪聲1/3倍頻程頻譜圖

掌子面鉆炮眼工序持續(xù)時(shí)間通常可達(dá)數(shù)小時(shí)，期間鉆眼臺(tái)班工人完全暴露在強(qiáng)噪聲環(huán)境下，對(duì)工人聽力會(huì)造成不可逆損傷[15]。

測(cè)試過程中使用激光測(cè)距儀記錄現(xiàn)場(chǎng)工序情況，仰拱施作及過橋施工位置距離掌子面65 m，二次襯砌臺(tái)車距離掌子面80 m；掌子面臺(tái)車、二次襯砌模板臺(tái)車長度分別為5 m和6 m；仰拱一次開挖長度為5 m，二次襯砌厚度為300 mm。測(cè)試過程中測(cè)得的隧道內(nèi)大氣壓強(qiáng)為59.883 kPa，空氣溫度為29 ℃(302.15 K)，作為數(shù)值模擬的參數(shù)依據(jù)。

2 隧道鉆眼施工噪聲數(shù)值模擬

2.1 模型及邊界條件

基于Comsol Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件聲學(xué)模塊，根據(jù)洞內(nèi)實(shí)際情況，主要針對(duì)洞身、掌子面臺(tái)車、二次襯砌臺(tái)車、二次襯砌支護(hù)、仰拱開挖過橋施工等對(duì)象建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖3所示。計(jì)算模型截取掌子面前方長100 m、寬14.5 m、高7.9 m空間，包含306 827個(gè)網(wǎng)格單元，最小網(wǎng)格尺寸0.1 m，最大網(wǎng)格尺寸1 m，以四面體網(wǎng)格為主。入口方向設(shè)置完美匹配層邊界條件，以減小數(shù)值模擬誤差。

測(cè)試段隧道圍巖以花崗巖為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，屬較不完整巖體，為堅(jiān)硬巖，不利于噪聲的吸收消散； 初期支護(hù)形式為錨噴支護(hù)，噴射混凝土壁面粗糙，有利于噪聲的吸收和漫反射； 二次襯砌混凝土壁面相對(duì)光滑不利于噪聲的吸收；隧道進(jìn)口端設(shè)置為軟聲場(chǎng)邊界，整個(gè)測(cè)試段隧道內(nèi)未見明顯的噪聲控制措施。根據(jù)測(cè)試所得洞內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，模擬空氣溫度設(shè)置為302.15 K； 隧道內(nèi)大氣壓強(qiáng)設(shè)置為59.883 kPa； 以1/3倍頻程頻譜圖中聲壓級(jí)最大的2 500 Hz為例，各類壁面對(duì)該頻率的吸聲系數(shù)取值如表1所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

表1 壁面吸聲系數(shù)(2 500 Hz)[16]

2.2 噪聲源輸入

數(shù)值模擬主要探索鉆炮眼過程的噪聲傳播特性，噪聲源參數(shù)設(shè)置以貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為準(zhǔn)。氣動(dòng)鑿巖機(jī)的噪聲可歸結(jié)為排氣噪聲、沖擊噪聲、回轉(zhuǎn)噪聲和釬桿噪聲，其實(shí)際上是四極子源、偶極子源、單極子源的混合體，在數(shù)值模擬中統(tǒng)一設(shè)置為單極子源[16]。單臺(tái)鑿巖機(jī)聲功率級(jí)為110 dB，換算成聲功率為0.1 W，式(1)為總聲源聲功率級(jí)和組分聲源聲功率之間的換算公式。

(1)

式中:LW為總聲源聲功率級(jí)；Wn(n=1,2,…)為子聲源聲功率；W0為基準(zhǔn)聲功率，取值為10-12W。

測(cè)試過程中共13臺(tái)鑿巖機(jī)同時(shí)開機(jī)，n取13。由此總聲功率級(jí)為121.1 dB(A)，則總聲源聲功率為1.3 W。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬所得隧道表面聲壓級(jí)云圖如圖4所示，隧道縱向聲壓級(jí)切面圖如圖5所示。表面聲壓級(jí)和空間聲壓級(jí)衰減規(guī)律基本一致，隧道內(nèi)穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)局部最小值為89 dB(A)，最大值為115 dB(A)； 掌子面臺(tái)架區(qū)域的聲壓級(jí)為110～115 dB(A)，仰拱區(qū)域的聲壓級(jí)為95～100 dB(A)，二次襯砌區(qū)域的聲壓級(jí)為90～95 dB(A)。

圖4 隧道內(nèi)表面聲壓級(jí)云圖(單位： dB(A))

Fig. 4 Sound pressure level nephogram of tunnel inner surface (unit： dB(A))

圖5 隧道縱向聲壓級(jí)切面圖(單位： dB(A))

Fig. 5 Sectional drawing of tunnel longitudinal sound pressure level (unit： dB(A))

3 數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析

聲源聲能量流線圖如圖6所示。假定施工工人人耳高度為1.5 m，在隧道中心線1.5 m高處設(shè)置監(jiān)測(cè)線。沿隧道軸線1.5 m高處的聲壓級(jí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬值對(duì)比如圖7所示。實(shí)測(cè)值在前40 m低于數(shù)值模擬值，40～100 m高于數(shù)值模擬值，實(shí)測(cè)最大值低于數(shù)值模擬最大值3 dB(A)，最小值兩者較為接近。

圖6 聲能量流線圖(單位： dB(A))

圖7 隧道內(nèi)1.5 m人耳高度軸向聲壓級(jí)變化

Fig. 7 Changes of axial sound pressure level at 1.5 m of human ear height in the tunnel

實(shí)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果總體變化規(guī)律一致，但也存在一定偏差，推測(cè)是由于洞內(nèi)壁面條件尤其是洞內(nèi)路面碎石等條件以及風(fēng)管等雜物對(duì)噪聲在隧道內(nèi)的傳播產(chǎn)生了干擾，而數(shù)值模型難以體現(xiàn)這些壁面條件的變化。

由圖6和圖7可以看出，不同施工區(qū)域的噪聲衰減速率不同，這說明隧道內(nèi)壁面對(duì)聲能吸收速率有差異，噴射混凝土和隧道開挖后未鋪設(shè)混凝土的底板吸收速率較快，二次襯砌以后混凝土壁面噪聲衰減速率減慢; 聲能量消散的主要原因還是隧道壁面的吸收作用，空氣阻尼次之。隧道內(nèi)噪聲總體較大，掌子面附近人耳高度1.5 m處噪聲達(dá)到110 dB(A)。測(cè)試過程中，每個(gè)班組工人鉆炮眼持續(xù)時(shí)間長達(dá)數(shù)小時(shí)，遠(yuǎn)高于由GBZ/T 189.8—2007《工作場(chǎng)所物理因素測(cè)量 第8部分： 噪聲》規(guī)定計(jì)算所得97 dB(A)以上工作時(shí)長不得超過0.5 h的標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)所得二次襯砌區(qū)域聲壓級(jí)均達(dá)到90～95 dB(A)，國標(biāo)中對(duì)此類區(qū)域工作時(shí)長限值為1～2 h，然而二次襯砌工序如鋪設(shè)防水板、鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工序的工作時(shí)長均超過2 h。因此，在有條件的情況下，二次襯砌時(shí)工作時(shí)間較長的工序排布應(yīng)盡量避開掌子面鉆炮眼工序。

圖8示出數(shù)值模擬中距掌子面不同距離處的豎向聲壓級(jí)變化曲線，隧道橫斷面內(nèi)噪聲分布不均勻，由隧道底板到隧道頂板呈現(xiàn)出先上升、后下降的趨勢(shì)，說明拱形隧道壁面反射后的聲能量有明顯聚集效應(yīng)，空間噪聲能量分布的最大值點(diǎn)從4 m高處，隨距掌子面距離增加而逐漸下移，在距離掌子面20 m后穩(wěn)定至3.25 m高度，這說明在現(xiàn)有的隧道斷面形狀設(shè)計(jì)下，隧道中線3.25 m高處為聲能量最集中的點(diǎn)，聲壓級(jí)最高，長期在掌子面工作的人員應(yīng)盡量避免長時(shí)間處于此高度范圍內(nèi)。

圖8 距掌子面不同距離處豎向聲壓級(jí)變化

Fig.8 Changes of vertical sound pressure level at different distances from tunnel face

圖9示出距掌子面不同距離時(shí)橫斷面內(nèi)1.5 m人耳高度的聲壓級(jí)分布曲線。由實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬曲線均可以看出，聲能量橫向分布不均勻，總體呈現(xiàn)中間高兩邊低的趨勢(shì)，距掌子面10 m處實(shí)測(cè)聲壓級(jí)差值達(dá)到0.2 dB(A)，數(shù)值模擬差值達(dá)到0.4 dB(A)； 15 m處聲壓級(jí)差值增大，實(shí)測(cè)和模擬差值均達(dá)到0.7 dB(A)。數(shù)值模擬值總體上高于實(shí)測(cè)值； 掌子面前10 m范圍內(nèi)，聲能量分布較為雜亂，實(shí)測(cè)值規(guī)律性較差，由于現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)運(yùn)行13臺(tái)鑿巖機(jī)的聲源數(shù)量較多，排布和擺放角度在數(shù)值模擬中不能準(zhǔn)確體現(xiàn)，數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)曲線規(guī)律存在一定誤差。到15 m處以后，聲能量分布趨于穩(wěn)定，數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)聲壓級(jí)均持續(xù)呈現(xiàn)出中間高兩邊低，這說明隧道施工噪聲在掌子面前經(jīng)多次反射，拱形斷面聚焦效應(yīng)明顯，使得隧道中部聲能量大于邊墻位置。

(a) 距掌子面10 m

(b) 距掌子面15 m

Fig. 9 Changes of sound pressure level at 1.5 m of human ear height at different distances from tunnel face

4 結(jié)論與討論

1)在鉆炮眼過程中，掌子面局部穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)實(shí)測(cè)最大值為108.9 dB(A)，數(shù)值模擬最大值為115 dB(A)，與實(shí)測(cè)值較為接近。開挖面人耳高度(1.5 m)位置穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)達(dá)到100 dB(A)以上，表明掌子面開挖班組施工人員需要佩戴強(qiáng)力噪聲隔絕裝置。

2)鉆炮眼工序噪聲為全頻噪聲，中高頻占明顯優(yōu)勢(shì)，隧道內(nèi)噪聲防治和個(gè)人勞保防護(hù)應(yīng)首先考慮中高頻下的噪聲防護(hù)。

3)掌子面鉆炮眼的噪聲傳到二次襯砌和仰拱位置后任然保留了較高的聲能量，二次襯砌區(qū)域聲壓級(jí)達(dá)到91 dB(A)以上，仰拱附近更是達(dá)到95 dB(A)，這對(duì)二次襯砌和仰拱施工工人產(chǎn)生了較大的健康威脅，在這些區(qū)域的工人也應(yīng)該采取一定的噪聲防護(hù)措施。

4)隧道高度方向上噪聲分布不均勻，隧道內(nèi)輪廓造型對(duì)聲能量有聚集作用。由底板到頂板，聲壓級(jí)呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，同一斷面內(nèi)穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)最大值點(diǎn)出現(xiàn)在距隧道底板中心以上3.25 m高度。隧道縱向噪聲衰減速率不均勻，噪聲衰減受洞內(nèi)臺(tái)車等構(gòu)筑物和內(nèi)壁面條件變化影響，呈現(xiàn)出先快速下降后趨于穩(wěn)定下降的趨勢(shì)，速率變化段和內(nèi)壁面變化段基本吻合。

隧道施工噪聲問題由來已久，人們對(duì)“噪聲”這種看不見的污染不夠重視，當(dāng)前研究熱點(diǎn)也是表征其對(duì)人體的損傷。想要根治噪聲問題，需要從聲源、傳播路徑以及個(gè)人防護(hù)等多方面入手。降低氣動(dòng)工具在隧道內(nèi)的使用量，加強(qiáng)對(duì)聲源的監(jiān)控從而引入主動(dòng)降噪系統(tǒng)，研發(fā)針對(duì)特定頻率的新型降噪耳塞等是解決隧道內(nèi)噪聲問題的幾個(gè)研究方向。

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