城市隧道噪聲實(shí)測與降噪措施研究

黃　俊，虞辰杰，張忠宇，陳立平，余劍威

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.紹興市柯橋區(qū)建筑工程安全質(zhì)量監(jiān)督站，浙江 紹興 312000；3.南京大學(xué)物理學(xué)院，江蘇 南京 210000）

城市隧道噪聲實(shí)測與降噪措施研究

黃俊1，虞辰杰2，張忠宇1，陳立平1，余劍威3

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.紹興市柯橋區(qū)建筑工程安全質(zhì)量監(jiān)督站，浙江 紹興 312000；3.南京大學(xué)物理學(xué)院，江蘇 南京 210000）

城市隧道內(nèi)噪聲對(duì)環(huán)境影響不容忽視，直接影響到人們的身心健康，需對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)深入研究。選取了8座典型隧道進(jìn)行噪聲實(shí)測，對(duì)隧道實(shí)際噪聲、隧道單車噪聲、噪聲頻譜特性和隧道混響時(shí)間等進(jìn)行詳細(xì)分析。主要結(jié)論如下：（1）隧道內(nèi)噪聲主要是中低頻噪聲，隧道內(nèi)噪聲平均高于隧道外噪聲8.6 dBA，隧道長度、斷面形式、車流量以及車速等對(duì)隧道內(nèi)噪聲影響較大。（2）單車車速從40 km/h增大到80 km/h的過程中，車速每增加1 km/h，噪聲值平均增加0.35 dBA。（3）隧道內(nèi)中低頻噪聲的混響時(shí)間最長（6 s左右），中低頻是隧道噪聲的主要頻段，這也是隧道內(nèi)噪聲偏高的主要原因之一,通過有效的降噪設(shè)計(jì)，隧道內(nèi)噪聲可降低4～5 dB。

城市隧道；噪聲實(shí)測；頻譜特性；混響時(shí)間；降噪設(shè)計(jì)

0　引　言

城市隧道是城市公路交通的重要組成部分，通常周圍人口比較密集。由此帶來兩方面問題，一方面，隧道口對(duì)噪聲的放大和擴(kuò)散效應(yīng)（又稱喇叭效應(yīng)）對(duì)隧道出入口附近居民形成長期困擾；另一方面，半封閉的隧道使噪音難以快速消散，并且經(jīng)壁面多次發(fā)射和疊加，產(chǎn)生相對(duì)于開放空間更大的噪音值且混響時(shí)間長（音箱效應(yīng)），極易使人產(chǎn)生煩躁和緊張等情緒，嚴(yán)重影響交通環(huán)境和安全[1-5]，尤其對(duì)于人車混行隧道，行人會(huì)較長時(shí)間暴露于高噪聲環(huán)境，有可能對(duì)聽覺神經(jīng)造成不可恢復(fù)的損傷[6]。

當(dāng)前我國城市隧道建設(shè)過程中因防火需求，通常不考慮降噪設(shè)計(jì)，我國的《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》也沒有涉及到公路隧道建設(shè)的聲學(xué)設(shè)計(jì)方面的問題。但關(guān)于隧道降噪的研究一直都沒有停止，如通過實(shí)測手段對(duì)隧道內(nèi)外噪聲進(jìn)行研究[3]，隧道降噪新型材料及其聲學(xué)特性研究[7，8]。利用理論分析的方法對(duì)隧道內(nèi)噪聲進(jìn)行預(yù)測等[9-11]。現(xiàn)有研究大多針對(duì)公路隧道，而城市隧道斷面形式更為多樣，周邊環(huán)境更為復(fù)雜，噪聲控制要求更高等這些特征決定了需對(duì)城市隧道噪聲進(jìn)行專門研究。

本文選取了幾座典型隧道為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場實(shí)測的手段，首先對(duì)隧道內(nèi)外噪聲特性進(jìn)行研究，然后進(jìn)一步對(duì)隧道噪聲傳播擴(kuò)散規(guī)律及混響時(shí)間進(jìn)行分析，最后依據(jù)研究成果，對(duì)新建隧道降噪方案進(jìn)行設(shè)計(jì)并對(duì)降噪效果進(jìn)行預(yù)測。

1　隧道噪聲及其頻譜特性

城市隧道相比于山嶺隧道結(jié)構(gòu)形式更加多變，暗埋段結(jié)構(gòu)形式包括矩形斷面、拱形斷面、折板拱斷面、頂板開孔斷面；敞開段結(jié)構(gòu)形式包括U型直墻斷面、斜墻斷面、內(nèi)凹型斷面等，各種斷面形式的聲反射各異，結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1　不同暗埋段隧道斷面形式

復(fù)雜多變的結(jié)構(gòu)形式，使得噪聲在隧道內(nèi)的傳播、擴(kuò)散和疊加規(guī)律變化各異，由此所采取的降噪措施也不盡相同，必須針對(duì)性進(jìn)行研究。在選取了8座有代表性的城市隧道，對(duì)正常運(yùn)營期間交通噪聲和夜晚檢修期單車噪聲進(jìn)行實(shí)地測試，見表1。

表1中所選隧道在長度、斷面形式、出口形式、車道數(shù)、引道吸聲等方面幾乎涵蓋了城市隧道所有常見的特征，因而本次測試結(jié)果可作為預(yù)測和評(píng)價(jià)城市隧道噪聲的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有較大的工程意義和實(shí)際意義。

在對(duì)實(shí)際噪聲進(jìn)行測試過程中，參考現(xiàn)有道路噪聲測試規(guī)程，測點(diǎn)布設(shè)高度為1.2 m,每個(gè)測點(diǎn)連續(xù)測試20 min，取該時(shí)間段內(nèi)平均值最為該測點(diǎn)噪聲值，見圖2。

圖2　現(xiàn)場噪聲實(shí)測

最終得到各測試隧道內(nèi)外噪聲及其頻譜特性對(duì)比結(jié)果見圖3。

由以上測試結(jié)果可知，隧道內(nèi)外噪聲主要為中低頻，頻率分布呈現(xiàn)明顯的波浪形，在低頻和中頻分別出現(xiàn)峰值，后續(xù)研究結(jié)果表明，低頻噪聲主要由動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生，而中頻噪聲主要由輪胎與路面之間產(chǎn)生。隧道內(nèi)噪聲相較于隧道外噪聲明顯偏高，且中頻部分偏高最為明顯。各隧道內(nèi)外等效噪聲差值見圖4。

圖3　隧道噪聲頻譜特性

圖4　隧道內(nèi)外噪聲差

表1　測試隧道基本情況

由所得隧道內(nèi)外噪聲差值可知，正常運(yùn)營情況下，隧道內(nèi)外噪聲差值最小的是中山門隧道（4.5 dB），最高為通濟(jì)門隧道（11.7 dB），平均差值為8.6 dB。隧道內(nèi)外噪聲差值的大小與許多因素相關(guān)，包括隧道長度，車流量，車速等。上圖中差值在平均值以下的三座隧道和平均值以上的三座隧道相比，具有隧道長度相對(duì)較短、車速相對(duì)較慢等明顯特征。

2　隧道單車噪聲

運(yùn)營期間隧道內(nèi)噪聲是由許多單車噪聲疊加而來的，因此對(duì)單車噪聲規(guī)律的分析有助于更加清晰的了解隧道噪聲的組成和疊加規(guī)律。

以普通小汽車為實(shí)驗(yàn)車輛，在夜間隧道封閉期間（無其它外來車輛干擾）分別以40 km/h、60 km/h和80 km/h的速度進(jìn)行測試，對(duì)于下沉式隧道，在出入口附近路面具有一定的坡度，本次測試分別對(duì)上坡和下坡情況進(jìn)行了分別考慮，現(xiàn)場情況與測點(diǎn)布設(shè)位置見圖5。

圖5　隧道內(nèi)單車噪聲測點(diǎn)

最終得到各測點(diǎn)單車噪聲見圖6。

由以上測試結(jié)果表明，車速對(duì)噪聲的影響明顯。車速從40 km/h增大到80 km/h的過程中，最近點(diǎn)A聲級(jí)從75 dBA增大到89 dBA。在40～80 km時(shí)速范圍內(nèi)，車速每增加1km/h，噪聲值平均增加0.35 dBA。隧道內(nèi)坡道對(duì)噪聲影響較小，其原因是在時(shí)速一定的情況下，坡道只影響發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，而發(fā)動(dòng)機(jī)為低頻噪聲，人耳對(duì)低頻聲音不敏感，且隨著現(xiàn)代汽車性能的提升，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲呈現(xiàn)越來越小的趨勢。因此在對(duì)隧道進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)過程中，隧道內(nèi)坡道可以不予考慮。

3　隧道混響時(shí)間

混響時(shí)間是評(píng)價(jià)隧道噪聲環(huán)境及降噪效果的綜合指標(biāo)，本次實(shí)驗(yàn)分別選取了鼓樓隧道、清涼山隧道和玄武湖隧道進(jìn)行測試，采用氣球爆炸模擬無指向脈沖聲源，見圖7。

測得不同頻率下的混響時(shí)間分布規(guī)律見圖8。

由圖8所得混響時(shí)間可知，隧道內(nèi)中低頻噪聲的混響時(shí)間最長（6 s左右），而前面隧道內(nèi)噪聲頻譜特性表明隧道內(nèi)噪聲主要是中低頻噪聲，這也是隧道內(nèi)噪聲相較于是對(duì)外高很多的主要原因之一。

圖6　不同車速下隧道內(nèi)單車噪聲

圖7　隧道混響時(shí)間測試

玄武湖隧道不同測點(diǎn)之間混響時(shí)間差距較大，主要是為研究隧道采光井對(duì)混響時(shí)間的影響，三個(gè)測點(diǎn)分別位于隧道內(nèi)、采光井、和隧道外，見圖9。

圖9　玄武湖隧道混響時(shí)間測點(diǎn)布設(shè)

通過測試結(jié)果可以得到，隧道口的開敞環(huán)境，使聲能得以迅速衰減。采光窗可以視為吸聲結(jié)構(gòu)，有效降低隧道內(nèi)混響噪聲。

本次測試的意義一方面是對(duì)隧道噪聲有了更加清晰的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也為既有隧道降噪改造設(shè)計(jì)方案的提出奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4　隧道降噪方案及其效果預(yù)測

在前文所得噪聲分布特性的基礎(chǔ)上，首先對(duì)材料吸聲參數(shù)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)某隧道進(jìn)行降噪方案設(shè)計(jì)，并對(duì)降噪效果進(jìn)行預(yù)測，見表2。

表2　常用材料聲學(xué)特性

由表2可知，不同材料的吸聲特性差別較大，既是同一種材料，不同頻段吸聲參數(shù)也不同。鑒于前文分析結(jié)果，隧道內(nèi)噪聲主要為中低頻，綜合考慮隧道內(nèi)防火要求和光照要求，選取采用側(cè)墻無機(jī)發(fā)泡吸聲磚+吊頂吸聲噴涂處理的方式進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)，具體鋪設(shè)方案見圖10。

圖10　隧道降噪設(shè)計(jì)方案

K-13B型防火噴涂可以有效的吸收500 Hz以上的聲能，對(duì)于1 000 Hz的峰值噪聲具有很好的效果。因此吊頂使用防火吸聲噴涂處理，噴涂要求不小于25 mm厚，側(cè)墻使用無機(jī)發(fā)泡吸聲磚，無機(jī)發(fā)泡吸聲磚需要使用50 mm厚度以上的材料。后空腔預(yù)留200 mm空氣層，在全頻帶都有著較高的吸聲系數(shù)。無機(jī)發(fā)泡吸聲磚的頂部不需要增加封板，敞開的設(shè)計(jì)有利于其提高吸聲系數(shù)。

本方案的降噪量預(yù)計(jì)在5 000 Hz時(shí)，降噪量達(dá)到最大值，預(yù)計(jì)超過5 dB。同時(shí)，在低頻80 Hz左右同樣有著較高的降噪量。但在200 Hz時(shí)有明顯的低谷，見圖11。

圖11　方案降噪效果預(yù)測分析

經(jīng)過仿真分析，得到本方案最終降噪效果為4.6 dBA。城市隧道噪聲實(shí)測方案需要通過測試、模擬、再測試和再模擬的循環(huán)，結(jié)合數(shù)值分析進(jìn)行驗(yàn)證，以便在對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的隧道進(jìn)行預(yù)測分析時(shí)得到預(yù)期的效果。當(dāng)前城市隧道內(nèi)及其洞口附近噪聲值普遍處于嚴(yán)重超標(biāo)狀態(tài)，城市隧道降噪工作亟需開展。采取合理的降噪設(shè)計(jì)和降噪措施不僅可以有效的降低噪聲值，同時(shí)對(duì)消減混響也會(huì)起到顯著效果。

6　結(jié)論

（1）隧道內(nèi)噪聲主要是中低頻噪聲，隧道內(nèi)噪聲平均高于隧道外噪聲8.6 dBA，隧道長度、斷面形式、車流量以及車速等對(duì)隧道內(nèi)噪聲影響較大。

（2）單車車速從40 km/h增大到80 km/h的過程中，車速每增加1 km/h，噪聲值平均增加0.35 dBA。

（3）隧道內(nèi)中低頻噪聲的混響時(shí)間最長（6 s左右），中低頻是隧道噪聲的主要頻段，這也是隧道內(nèi)噪聲偏高的主要原因之一,通過有效的降噪設(shè)計(jì)，隧道內(nèi)噪聲可降低4～5 dB。

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U453.8+2

A

1009-7716（2016）04-0164-05

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2015-12-25

蘇建計(jì)[2014]644號(hào)“降噪技術(shù)在城市隧道中的應(yīng)用2014ZD09”；蘇建計(jì)[2015]302號(hào)《城市隧道降噪技術(shù)規(guī)程》

黃俊 (1979-)，男，浙江金華人，博士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，從事隧道與地下工程設(shè)計(jì)、咨詢和科研工作。