流水機組法管片混凝土振搗噪聲控制技術(shù)

陳永敬, 劉臻真, 郭 巖, 王義朋

(1.中鐵十四局集團房橋有限公司，北京 102400；2.中安綠創(chuàng)(北京)職業(yè)衛(wèi)生建設(shè)工程設(shè)計研究院有限公司，北京 102400)

目前盾構(gòu)管片生產(chǎn)主要采用流水機組法和固定臺座法兩種生產(chǎn)方式，附著式振動器振搗是流水機組法管片生產(chǎn)常用方法，它通過振動器的工作帶動模型振動來完成混凝土的密實。這種作業(yè)方式生產(chǎn)效率高、施工質(zhì)量穩(wěn)定，普遍被管片生產(chǎn)單位所采用，但相對于插入式振搗，會產(chǎn)生更大的振動噪聲，特別是對于大直徑盾構(gòu)管片模具而言，振動器附著數(shù)量高達8個，振搗過程中模具附近產(chǎn)生噪聲高達127 dB(A)。研究前，振動室采取砌筑磚墻、粘貼吸聲棉、安裝模具進出提升門等方式進行封堵，由于不能做到完全封堵、吸音棉效果有限、隔振措施不到位等原因，振動區(qū)附近及操作室內(nèi)，噪聲仍然達到高達100 dB(A)以上。長期強噪聲作業(yè)不僅可以干擾工作效率，易造成安全事故的發(fā)生[1-2]，還能對人的聽覺系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和心腦血管系統(tǒng)造成重要影響[3]。

本文研究依托北京東六環(huán)(京哈高速—潞苑北大街)改造工程盾構(gòu)隧道盾構(gòu)管片施工開展，考慮同類聲源的頻譜特性和噪聲強度，結(jié)合吸聲、消聲、隔聲以及阻尼減振等方式，通過合理設(shè)計使作業(yè)環(huán)境達到噪聲治理標準。東六環(huán)隧道是目前國內(nèi)直徑最大的盾構(gòu)隧道，該隧道管片外徑15 400 mm、厚度650 mm、寬度2 000 mm，單塊管片最大重量17.8 t，采用C60高強混凝土預(yù)制，配備8個高頻振動器進行振搗。

1 噪聲源識別

盾構(gòu)管片混凝土振搗工序振動包括3個方面：混凝土料斗的側(cè)面電動振動器產(chǎn)生的撞擊、振動器與管片模具之間的撞擊以及模具與軌道之間的撞擊。撞擊過程產(chǎn)生的機械噪聲一部分是振動器工作時直接撞擊產(chǎn)生的，另一部分是撞擊導(dǎo)致管片模板振動產(chǎn)生的二次噪聲，此部分噪聲的特性與振動臺工作振動頻率振幅及鋼模大小有關(guān)。

同類生產(chǎn)線噪聲測量類比數(shù)據(jù)顯示，澆筑振動時，設(shè)備近場噪聲為104.9 dB(A)；混凝土料斗下料時，設(shè)備近場噪聲為105.5 dB(A)。各噪聲數(shù)據(jù)的頻譜見圖1。

圖1 各級噪聲頻譜分布

通過圖1可以看出，噪聲整體呈寬頻特性，聲能量主要集中在中、低頻區(qū)域，并在100 Hz和125 Hz出現(xiàn)峰值，高頻區(qū)域聲能量也不能忽視。由于中、低頻噪聲傳播特性為穿透力強、空氣吸收能力較弱、容易產(chǎn)生繞射等現(xiàn)象，影響范圍很廣，屬于比較難治理的噪聲源。

2 噪聲控制目標及原理

2.1 治理目標

根據(jù)《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值第2部分：物理因素》(GBZ2.2-2019),對于生產(chǎn)車間每周工作5 d、每天工作8 h的工人，穩(wěn)態(tài)噪聲限值為85 dB(A)，非穩(wěn)態(tài)噪聲等效聲級的限值為85 dB(A)。

結(jié)合(GBZ2.2-2019)和員工的作業(yè)班制情況，最終設(shè)計目標確定為振搗室外1 m處噪聲低于85 dB(A)、操作室內(nèi)噪聲低于80 dB(A)，這樣可以大大提高員工的作業(yè)聲環(huán)境質(zhì)量，減少聲暴露。

2.2 理論依據(jù)

根據(jù)相關(guān)文獻[4-6]，分別采用隔聲、消聲、吸聲和阻尼減振等方式進行降噪設(shè)計。

2.2.1 隔聲

單層勻質(zhì)構(gòu)件和雙層構(gòu)件隔聲量計算的經(jīng)驗公式采用公式(1)和公式(2)，無論是單層結(jié)構(gòu)還是雙層結(jié)構(gòu)，其隔聲特性受到共振和吻合效應(yīng)的影響，通過設(shè)計，盡量使隔聲所要求的頻率避開共振頻率f0和吻合效應(yīng)頻率fc。

R單=16lgM+14lgf-29

(1)

R雙=16lg[(M1+M2)f]-30+ΔR

(2)

式中：R單、R雙為隔聲量(dB)；M為單層壁單位面積質(zhì)量(kg/m2)；M1和M2為兩個單層壁單位面積質(zhì)量(kg/m2)；f為入射波頻率(Hz)；ΔR為空氣層附加隔聲量(dB)。

對于多個構(gòu)件組成的隔聲墻的組合隔聲量采用公式(3)～公式(5)計算：

(3)

(4)

(5)

2.2.2 消聲

對所有的空氣動力性噪聲統(tǒng)一采用消聲治理措施，噪聲源采取消聲治理后，要求既要有適宜的消聲量(即聲學(xué)性能)，同時對設(shè)備的運行不能有明顯的影響(即良好的空氣動力性能)。消聲器是一種既能使噪聲得到有效的衰減又能保證氣流正常通過的一種設(shè)備。阻性消聲器消聲量參考公式(6)和公式(7)計算：

(6)

(7)

式中:ΔL為消聲量(dB)；P為消聲器斷面周長(m)；L消聲器有效長度(m)；S消聲器通道橫截面積(m2)；α0為法向吸聲系數(shù)。

2.2.3 吸聲

在噪聲源周圍設(shè)置隔聲圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)壁面上做必要的吸聲處理(加工機內(nèi)部)，不但可有效加強隔聲圍護結(jié)構(gòu)的隔聲量，而且可降低室內(nèi)的混響聲達3～5 dB(A)，同時改善操作人員的操作環(huán)境，起到一定的勞動保護作用。房間內(nèi)的平均吸聲系數(shù)按照公式(8)計算：

(8)

式中:Sn為各面面積(m2)；αn為各面的吸聲系數(shù)。

2.2.4 阻尼減振降噪

通過運用基礎(chǔ)與設(shè)備間安裝的隔振元件由于彈性變形和阻尼的作用、使振動能量消耗減小振動的傳遞這一原理，減小噪聲。

3 噪聲隔離裝置的設(shè)計

3.1 總體方案

采用以隔聲為主其他各種綜合治理措施為輔的方案是降低工作場所噪聲強度的重要途徑[7-8]。研究表明，隔聲裝置的隔聲能力取決于其形狀和尺寸、結(jié)構(gòu)剛性、開口面積、隔聲材料的隔聲量、罩內(nèi)平均吸聲系數(shù)等多種因素[9]。本研究將振搗室與振搗操作室分開，振搗設(shè)備設(shè)計單獨的隔聲罩，操作人員在隔聲觀察室操作，以此達到保護設(shè)備操作人員和降低該設(shè)備對整個車間聲環(huán)境影響的效果。本研究方案見圖2,左側(cè)為隔聲罩，右側(cè)為隔聲觀察室。

圖2 隔聲裝置設(shè)計(單位：mm)

為使得相應(yīng)隔聲設(shè)計能達成預(yù)期目標，在建設(shè)過程中應(yīng)當注意到防止縫隙和孔洞漏聲，做好軌道底部與地面的縫隙封堵，門窗等薄弱處采用粘貼毛氈類吸音材料或者軟橡膠條進行封堵。

3.1.1 隔聲罩設(shè)計

振搗設(shè)備隔聲罩的設(shè)計綜合降噪量R≥25 dB(A)，外形尺寸為9.0 m×6.1 m×3.8 m，隔聲罩墻面采用240 mm磚墻和50 mm厚吸隔聲復(fù)合結(jié)構(gòu)，復(fù)合隔聲量≥52 dB(A)，內(nèi)側(cè)吸聲系數(shù)0.9。隔聲罩管道模具軌道進出口分別設(shè)置自動隔聲提升門(2.36 m×2.2 m)，隔聲量≥25 dB(A)；隔聲罩頂部采用100 mm吸隔聲板材，并設(shè)置自動推拉門(2.3 m×2.3 m)，隔聲量≥30 dB(A)，方便混凝土料車卸料。南側(cè)提升門墻面設(shè)置一道隔聲量≥35 dB(A)的進出隔聲門(0.8 m×2.0 m)，由于隔聲罩提升門和自動推拉門開合頻繁，不考慮散熱通風。

在本研究中為了阻斷振動臺與生產(chǎn)線的連接，隔聲罩底部設(shè)計了獨立的振動臺，同時振動臺上下支架之間設(shè)計多個橡膠氣囊，振動時氣囊頂起，減少對地面的沖擊力。獨立振動臺結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 隔聲罩底部獨立振動臺

3.1.2 隔聲觀察室設(shè)計

隔聲觀察室設(shè)計綜合降噪量R≥30 dB(A)，外形尺寸為9.0 m×2.8 m×2.6 m，觀察室面向振搗設(shè)備面設(shè)置隔聲量≥45 dB(A)的雙道夾膠玻璃作為觀察窗(1.75 m×2.0 m)。南北兩側(cè)設(shè)置兩道隔聲量≥35 dB(A)的進出隔聲門(1.2 m×2.2 m)、照明系統(tǒng)和通風系統(tǒng)。本研究中隔聲觀察室由于有人員存在，按照每人新風量30 m3/h核算，同時通風口加裝消聲器，消聲量≥20 dB(A)。

3.2 聲學(xué)核算與治理效果評價

3.2.1 隔聲罩各墻面隔聲核算

隔聲罩內(nèi)平均吸聲系數(shù)根據(jù)各構(gòu)件的面積和吸聲系數(shù)按照公式(8)計算，計算結(jié)果見表1。隔聲罩各墻面實際隔聲量計算結(jié)果見表2。

表1 隔聲罩內(nèi)平均吸聲系數(shù)計算

表2 隔聲罩各墻面隔聲計算結(jié)果

3.2.2 隔聲觀察室降噪核算

表3 隔聲觀察室平均吸聲系數(shù)計算結(jié)果

隔聲觀察室內(nèi)設(shè)計一臺通風口片式消聲器，片間距100 mm，片高度為400 mm，有效長度為800mm，片吸聲系數(shù)α0為0.8，根據(jù)公式(6)計算φ(α0)為1.66。當α0≥0.6，φ(α0)計算值遠大于實測值，根據(jù)文獻[4]推薦使用經(jīng)驗值1.2，再利用公式(6)計算消聲量為24 dB(A)。

3.3 噪聲控制效果

綜上取現(xiàn)場設(shè)備噪聲值為105 dB(A)。隔聲觀察室內(nèi)觀察窗面隔聲量為32.8 dB(A)，室內(nèi)噪聲計算值為72.2 dB(A)；隔聲罩提升門面隔聲量為23.1 dB(A)，設(shè)備外噪聲計算值為81.9 dB(A)；隔聲罩頂面隔聲量為22.9 dB(A)，頂面外噪聲計算值為82.1 dB(A)，經(jīng)計算噪聲設(shè)計能達到預(yù)期要求。

該項目進行工程實施后，隔聲罩內(nèi)測試噪聲水平為108 dB(A)，隔聲觀察室內(nèi)噪聲水平為76 dB(A)。隔聲罩提升門1 m測點噪聲水平為84.3 dB(A)，隔聲罩頂面1 m處測點噪聲水平為84.1 dB(A)?？傮w實現(xiàn)了振動室外墻1 m處噪聲量均在85 dB(A)以下，隔聲觀察室可達到80 (A)以下的設(shè)計目標。本研究實施的隔聲間和隔聲觀察室見圖4。

圖4 隔聲罩與隔聲觀察室實物

4 結(jié)束語

通過對北京東六環(huán)改造工程管片振動室隔振室噪聲研究和應(yīng)用實踐，成功解決了流水機組法管片生產(chǎn)振動噪聲大的難題，使操作室內(nèi)作業(yè)人員的噪聲暴露符合職業(yè)健康要求，實際測量結(jié)果為振動室外墻1 m處噪聲量均在85 dB(A)以下，隔聲觀察室可達到80 (A)以下，且無振動和共振，人員能夠正常交流，大大提高了作業(yè)環(huán)境質(zhì)量。

該噪聲控制技術(shù)的成功應(yīng)用，為流水機組法盾構(gòu)管片生產(chǎn)噪聲治理提供了具有實際意義的解決方案，為其他混凝土預(yù)制產(chǎn)品生產(chǎn)降噪提供了參考方向。未來隨著企業(yè)對于作業(yè)環(huán)境要求的重視程度不斷提升，噪聲控制技術(shù)必將被更多生產(chǎn)單位所推廣使用。