山地城市隧道交通噪聲分布特性實測

劉小明, 趙 欣, 徐 進,2*

(1.重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074； 2.重慶交通大學山區(qū)復雜道路環(huán)境“人-車-路”協(xié)同與安全重慶市重點實驗室，重慶 400074)

隨著城市化進程的加快，城市隧道建設(shè)日益增多，城市隧道噪聲污染也日趨嚴重。由于隧道洞口對噪聲具有“喇叭”效應[1]和噪聲在隧道半封閉構(gòu)造形式與內(nèi)壁的多次反射與疊加下，混響時間長，使得隧道內(nèi)噪音難以快速消散，加上隧道內(nèi)空氣質(zhì)量和流通性比隧道外差，易使駕駛員、行人和檢修人員等產(chǎn)生煩躁、緊張情緒，嚴重影響環(huán)境與交通安全[2-5]。

城市交通噪聲在許多國家和地區(qū)都受到了重視。中外學者采用不同方法開展大量關(guān)于城市交通噪聲方面的研究工作。徐進等[6]通過實測分析山地城市長上坡路段交通噪聲幅值，研究了交通噪聲日夜、橫向衰減規(guī)律以及影響因素；師利明等[7]基于波動聲學和房間聲學理論對隧道內(nèi)交通噪聲進行預測，從理論上提出隧道噪聲預測模式和方法，提出了相應的降噪措施，并且認為隧道內(nèi)交通噪聲是近似均勻分布的混響聲場；史小麗等[8]基于像源理論系統(tǒng)闡述與分析了三種交通預測模型，認為相干模型能夠更精確預測隧道內(nèi)交通噪聲傳播狀況；Probst[9]運用積分法提出噪聲預測在隧道口的修正公式，可與各類靜態(tài)交通噪聲模型結(jié)合使用；陳妍等[10]、張雪峰等[11]、魏慶朝等[12]分別建立了不同的隧道噪聲預測模型，得到城市隧道噪聲分布、傳播規(guī)律等結(jié)論；Heutschi等[13]等提出一種將洞外接受點聲壓級分成洞內(nèi)直射和洞內(nèi)反射聲在洞口位置面聲源的疊加模型；章月新等[14]針對所設(shè)計的三維空間，分別進行了單通道和雙通道實驗，驗證了雙通道系統(tǒng)在抑制低頻噪聲的有效性；喬海濱等[15]基于有限元法對隧道內(nèi)交通噪聲進行數(shù)值模擬分析并結(jié)合現(xiàn)場實測，認為城市隧道內(nèi)交通噪聲主要來自汽車行駛產(chǎn)生的胎噪；羅威力等[16]基于虛聲源法利用計算機仿真計算三維矩形截面隧道不同位置的交通噪聲，結(jié)合微觀交通仿真技術(shù)、噪聲排放模型、洞口和洞外傳播模型，實現(xiàn)單點聲源和動態(tài)交通源的噪聲分布計算；陳立平等[17]、肖上平等[18]、張銳等[19]、黃俊等[20]、陳延訓[21]通過實測手段對隧道內(nèi)外噪聲進行研究，對隧道噪聲環(huán)境進行了定性分析；Lam等[22]等通過研究吸聲材料在長空間內(nèi)不同的安裝數(shù)量和位置對其聲場的影響，提出了降噪材料的最優(yōu)安裝方法；王美燕[1]通過研究隧道內(nèi)外噪聲特性,結(jié)合隧道的結(jié)構(gòu)特性,給出了公路隧道洞內(nèi)、洞外交通噪聲預測模式，并提出一些隧道交通降噪方法；康傳利等[23]提出了一種組合濾波的移動最小二乘平滑去燥方法；馬鑫等[24]則從影響地震計噪聲的關(guān)鍵環(huán)境因素入手，研究分析了甚寬頻帶地震噪聲與環(huán)境耦合的關(guān)系。

目前，中外學者對城市隧道交通噪聲的研究主要集中在平原城市，而關(guān)于山地城市隧道交通噪聲的研究較少。一方面，相比于平原城市，山地城市隧道為契合起伏的地形和地貌，在幾何線形和運行環(huán)境方面有其特殊性，具有大量長縱坡路段、曲線路段、彎坡組合路段，道路相對狹窄，汽車(尤其是大型車)在通過彎道、上坡時會產(chǎn)生加速噪聲和下坡時的制動噪聲，這些特點使得山地城市隧道交通噪聲較平原城市更為嚴重。另一方面，對城市隧道交通噪聲的實測研究較多采用單點測試或非連續(xù)測試方法，對研究隧道交通噪聲分布規(guī)律可能存在一些誤差?；诖?，對山地城市隧道交通噪聲進行實測和分析尤為重要?，F(xiàn)選取6條重慶市市區(qū)內(nèi)城市隧道，分別進行路段連續(xù)行駛交通噪聲測量，得到隧道內(nèi)外交通噪聲的幅值水平，以期為山地城市隧道建設(shè)和噪聲控制提供相應的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 實驗方案

1.1 實驗道路

綜合考慮隧道長度、所屬區(qū)域、交通量和技術(shù)等級等因素，在重慶市共選擇6條具有代表性的城市隧道作為實驗對象，實驗隧道名稱以及主要信息如表1所示，各隧道線形特征、位置及洞口情況如圖1所示。其中，八一隧道和向陽隧道為并列的兩條隧道。在噪聲數(shù)據(jù)采集的時間段內(nèi)，6條隧道均在正常的交通條件下運行。

表1 測試隧道基本情況

圖1 實驗隧道的線形特征及長度

1.2 實驗儀器

實驗用到的儀器，分別為HT-305激光測距儀、HT-850A噪聲計和對講機，如圖2所示。其中，噪聲計用于記錄交通噪聲的實時數(shù)值；測距儀用于測量各測試點縱向距離與道路邊緣線之間的橫向距離；對講機用于不同位置記錄人員的通訊。

圖2 實驗儀器

1.3 采集方法和觀測斷面

噪聲的測量方法是遠場測量法。依據(jù)各隧道的實際情況將其沿行駛方向劃分為不同的測試斷面，如圖3所示。由于在隧道不同位置所測得噪聲值可和 能有較大差異，因此把隧道分為隧道內(nèi)和隧道外兩個部分進行測量。測點在隧道外沿隧道縱向每間隔10 m等間距布設(shè)，在隧道內(nèi)沿隧道縱向每隔20 m等間距布設(shè)。由于四公里隧道較短，在隧道內(nèi)采用了同隧道外的10 m等間距測點。采集探頭放置于隧道邊墻處(橫向距離為0 m)，高度距路面為1.2 m。其中，0 m是一個近似值，實際上測點距離道路邊緣線約為20 cm。在每個斷面采集10～15個有效數(shù)據(jù)。

X為隧道長度

1.4 觀測時間

實驗測量時間為2018年5月4日—2018年5月16日，為避免早晚高峰、不良天氣狀況以及交通擁堵等狀態(tài)的影響，使車輛能夠在自由流狀態(tài)下行駛，同時保證數(shù)據(jù)樣本的多樣性，試驗時間避開了降雨天氣，測試時間段為8:30—12:00、13:30—17:30。各隧道長度、測試時間均不同，具體時間如表2所示。

表2 測試時間

2 交通噪聲整體特性分析

2.1 隧道縱向的交通噪聲分布

對每個斷面實測得到的噪聲數(shù)據(jù)，剔除因汽車經(jīng)過時突然鳴笛而出現(xiàn)的噪聲極端值后，計算得到6條隧道的噪聲最大值、最小值和均值，表3～表8分別為各隧道噪聲實測數(shù)據(jù)。其中，位置以隧道洞口為0 m，隧道內(nèi)為正值，隧道外為負值。圖4為各測試斷面交通噪聲沿隧道縱的分布情況。雖然通過測點車流量、車速及車輛類型具有一定的隨機性，會導致隧道交通噪聲測試結(jié)果出現(xiàn)上下波動，但圖4仍能反映出交通噪聲在縱向的分布規(guī)律：交通整體噪聲幅值在隧道內(nèi)部明顯高于隧道外部，呈明顯中間高兩側(cè)低的分布特性。

表3 八一隧道實測噪聲數(shù)據(jù)

表4 南坪隧道實測噪聲數(shù)據(jù)

表5 四公里隧道實測噪聲數(shù)據(jù)

表6 向陽隧道實測噪聲數(shù)據(jù)

表7 保利觀塘隧道實測噪聲數(shù)據(jù)

表8 工貿(mào)隧道實測噪聲數(shù)據(jù)

圖4 隧道噪聲縱向分布規(guī)律

經(jīng)計算，距隧道洞口50 m處，6條隧道整體噪聲均值為76.82 dB，接近普通公路的交通噪聲；在距隧道洞口20 m處，隧道噪聲均值為77.96 dB，隧道洞口處噪聲均值為82.71 dB。噪聲均值在距隧道洞口20～50 m提高了1.14 dB，提升幅度較??；而距隧道洞口20 m至洞口噪聲均值提高了4.75 dB，提升明顯。由此可見，交通噪聲的提高主要集中在隧道洞口前20 m至洞口處。在隧道內(nèi)部，交通噪聲幅值波動較小，各條隧道整體噪聲均值為88.73 dB，比隧道外部(距隧道洞口50 m)高出近12 dB。噪聲峰值為94.5 dB，出現(xiàn)在向陽隧道300 m處。隨著距隧道出口的距離越遠，噪聲降低，逐漸回到正常水平。由此可知，城市隧道的交通噪聲特點和一般城市道路存在差異。

2.2 隧道洞口內(nèi)外交通噪聲分布規(guī)律

Probs[9]、羅威力等[16]和陳立平等[17]研究認為，洞內(nèi)噪聲對洞外噪聲的增加量影響在50 m左右，為更好地研究隧道洞口內(nèi)外噪聲分布規(guī)律，增加10 m距離，以隧道洞口為原點，每隔20 m實測得到隧道洞口內(nèi)外60 m噪聲。圖5為各測試隧道洞口內(nèi)外60 m噪聲分布縱向均值散點圖，實線為各隧道斷面噪聲均值。

由圖5可知，在隧道外60 m位置至隧道內(nèi)60 m位置交通噪聲水平有明顯的增加，交通噪聲均值從70～80 dB增加至80～90 dB，平均增加了約10 dB。噪聲在距離隧道洞口20 m左右時迅速提高。車輛在進出隧道洞口時，駕駛員會有明適應與暗適應過程，在進出隧道洞口時，車輛會有減速和加速過程，輪胎制動和發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高，都會產(chǎn)生噪聲。同時，由于隧道口對噪聲具有“喇叭”效應，使得噪聲在隧道洞口內(nèi)外差值較大。因此，可以認為交通噪聲水平在隧道洞口內(nèi)外有明顯差異，由隧道外至隧道內(nèi)，噪聲值有明顯提高。

圖5 隧道洞口噪聲均值

3 交通噪聲對車流量的敏感性

為了得到車流量對隧道交通噪音的變化規(guī)律，選取其中車流量較小的八一隧道和工貿(mào)隧道作為實驗隧道，選取了四個測試斷面實測了有車輛經(jīng)過和無車輛經(jīng)過時隧道的噪聲值，表9～表12為兩條隧道有車經(jīng)過和無車經(jīng)過時4個斷面的噪聲實測值。其中，表9～表12中四個斷面分別對應距隧道洞口50 m、前隧道洞口處、隧道正中處和后隧道洞口處。同時，得到兩條隧道4個斷面有無車輛經(jīng)過時的噪聲散點圖和均值圖，如圖6所示。

表9 八一隧道無車輛經(jīng)過時斷面噪聲數(shù)據(jù)

表10 八一隧道有車輛經(jīng)過時斷面噪聲數(shù)據(jù)

表11 工貿(mào)隧道無車輛經(jīng)過時斷面噪聲數(shù)據(jù)

表12 工貿(mào)隧道有車輛經(jīng)過時斷面噪聲數(shù)據(jù)

由圖6(c)可知，當沒有車輛經(jīng)過時，兩條隧道的噪聲總體變化幅度在隧道內(nèi)外無明顯波動，噪聲值在進入隧道后有小幅增加，但變化不明顯；而當有車輛經(jīng)過時，隧道噪聲均值整體上比無車輛經(jīng)過時要高，且在進入隧道后有明顯的增加，兩者都在隧道中部達到最高幅值，在出隧道口時會有所下降。而由圖6(a)、圖6(b)可知，有車經(jīng)過時的噪聲幅值范圍大于無車經(jīng)過?；诖?，可以認為隧道內(nèi)外噪聲水平會因車輛經(jīng)過而增高，且隧道內(nèi)的噪聲提高明顯高于隧道外，噪聲值在隧道洞口處增加顯著，這與2.2節(jié)結(jié)論基本一致。

圖6 有無車輛經(jīng)過的噪聲實測值比較

目前，中國的道路交通噪聲質(zhì)量等級劃分標準是輕度污染為70 dB，中度污染為72 dB，重度污染為74 dB。由圖6可知，當沒有車輛經(jīng)過時，八一隧道噪聲水平處于輕度污染與中度污染之間，而工貿(mào)隧道則處于輕度污染之下。工貿(mào)隧道整體噪聲水平較八一隧道低，其原因是八一隧道所在位置靠近商業(yè)區(qū)，周邊環(huán)境比較嘈雜，而工貿(mào)隧道位于住宅區(qū)附近，周邊環(huán)境比較安靜。當有車輛經(jīng)過時，兩條隧道噪聲實測值絕大部分已經(jīng)超過重度污染水平，表明隧道交通噪聲已經(jīng)對人們出行、工作和生活產(chǎn)生了較嚴重的影響。

4 交通噪聲對振動減速標線的敏感性

南坪隧道東南至西北方向存在一段下坡路段，為提高隧道內(nèi)道路安全水平，隧道內(nèi)每隔30 m設(shè)有一段總長約210 m的振動減速標線，其具體位置如圖7所示。為了研究振動減速標線對隧道交通噪聲的影響，以振動減速標線起點為原點，實測隧道內(nèi)振動減速標線前后100 m交通噪聲縱向分布情況，得到結(jié)果如圖8所示。

圖7 振動減速標線位置

圖8 南坪隧道振動減速標線噪聲分布

由圖8可知，噪聲值在經(jīng)過隧道中振動減速帶起點后有一個小幅度的提高，在終點后50～60 m逐漸降低，最終回到振動減速標線之前的隧道路段噪聲水平。其中，交通噪聲在振動減速標線起點斷面處提高最為明顯，經(jīng)過振動減速帶的噪聲均值水平比隧道內(nèi)其他路段高出約1.5 dB。其原因主要是汽車輪胎在經(jīng)過振動減速帶時與凹凸不平的減速標線輾軋而產(chǎn)生的胎噪所引起的。因此，研究結(jié)果表明振動減速標線在一定程度上會小幅提高隧道內(nèi)的噪聲水平。

5 結(jié)論

山地城市道路具有坡道長、坡度大和彎道多等特點，這些特點在城市隧道也有所體現(xiàn)，因此汽車行駛噪聲一直是主要交通公害之一。在重慶主城區(qū)選擇6條典型城市隧道，通過采集連續(xù)斷面的汽車行駛噪聲，得到如下結(jié)論。

(1)交通整體噪聲幅值在隧道內(nèi)部明顯高于隧道外部，呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的分布特性。

(2)交通噪聲水平在隧道洞口內(nèi)外有明顯差異，由隧道外至隧道內(nèi)，噪聲有明顯提高。尤其是距離洞口20 m處開始迅速提高。

(3)隧道內(nèi)外噪聲水平會因車輛經(jīng)過而增高，且隧道內(nèi)的噪聲提高明顯高于隧道外，噪聲在隧道洞口處增加顯著。

(4)振動減速標線在一定程度上會小幅提高隧道內(nèi)的噪聲水平。

采用連續(xù)斷面實測方法，對山地城市多條隧道進行了噪聲測量，并對噪聲數(shù)據(jù)進行分析，得到隧道交通噪聲整體縱向分布規(guī)律、隧道洞口內(nèi)外噪聲縱向分布規(guī)律以及車流量和振動減速帶兩個因素對隧道噪聲水平的影響，為山地城市隧道建設(shè)和噪聲控制提供了相應數(shù)據(jù)支持。