鉆爆法隧道內(nèi)施工噪聲分布規(guī)律分析

周 健

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063)

1 引言

噪聲是一類引起人煩躁或音量過強(qiáng)而危害人體健康的聲音[1－3]。統(tǒng)計表明，85 dB以上則可能發(fā)生危險，而長期工作在90 dB以上的噪聲環(huán)境中，耳聾發(fā)病率明顯增加。在人們生活中各行各業(yè)的發(fā)展和建設(shè)都會產(chǎn)生不同強(qiáng)度的噪聲，尤其在建筑施工行業(yè)，噪聲污染更顯嚴(yán)重。近年來，中國交通事業(yè)迅速發(fā)展，修建的隧道數(shù)量越來越多，尤其是在中國西南地區(qū)，由于地形原因，隧道數(shù)量大幅增加[4－5]。隨著隧道的修建伴隨而來的便是隧道噪聲問題。隧道噪聲形式主要有兩大類:一是運(yùn)營隧道的噪聲，主要是隧道內(nèi)車輛行駛所產(chǎn)生；二是在建隧道噪聲，這是由于隧道內(nèi)施工所造成。

在隧道噪聲的研究中，朱文等[6]認(rèn)為在隧道內(nèi)利用混凝土鋪設(shè)路面比利用瀝青鋪設(shè)更利于提高隧道內(nèi)的行車安全性和舒適性。高有湖等[7]通過試驗發(fā)現(xiàn)了在隧道內(nèi)降低超低頻噪聲能量的原理，據(jù)此設(shè)計出了一種超低頻噪聲裝置，有效解決城市隧道施工對周邊居民的影響。賴滌泉[8]針對長距離鐵路隧道的實際通風(fēng)需求，研制出一種長隧道施工通風(fēng)用設(shè)備，可滿足施工期隧道通風(fēng)要求并降低通風(fēng)機(jī)械產(chǎn)生的噪聲。馬保國[9－11]等人通過試驗發(fā)現(xiàn)可以通過提高混合料孔隙率，減小最大公稱粒徑，降低瀝青路面噪聲。蔡正森[12]依托廣東省潮惠高速公路蓮花山二號隧道對露石混凝土路面降噪開展研究，發(fā)現(xiàn)此種材料的混凝土對降低輪胎噪聲效果較好。

總結(jié)發(fā)現(xiàn)，目前在隧道噪聲方面的研究整體偏少，且以上各位專家和學(xué)者的研究多集中于運(yùn)營期隧道領(lǐng)域，偏向于解決車輛在隧道內(nèi)行駛產(chǎn)生噪聲的情況，對于施工期內(nèi)隧道噪聲規(guī)律以及危害范圍鮮有涉及。本文以某特長公路隧道為依托，對隧道內(nèi)各個施工工序產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行研究，探明在隧道內(nèi)各個工序施工時所產(chǎn)生的噪聲分布規(guī)律以及影響范圍，并以此為根據(jù)對下一步降低隧道內(nèi)施工干擾、保障工人人身安全研究打下基礎(chǔ)。

2 工程背景

某特長公路隧道，設(shè)計為雙線分離式隧道，長約13 km，為雙向四車道高速公路隧道，設(shè)計速度為80 km/h；車行橫通道建筑限界凈寬4.5 m、凈高5 m，襯砌內(nèi)輪廓擬定為拱高6 m的三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)。人行橫通道建筑限界凈寬2 m、凈高2.5 m；襯砌內(nèi)輪廓擬定為拱高300 cm的單心圓直邊墻結(jié)構(gòu)，圍巖以Ⅲ級圍巖為主。

施工過程中根據(jù)施工條件，選用手持式鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆孔，引進(jìn)阿特拉斯?jié)駠娷?，進(jìn)行碴石無軌運(yùn)輸，并采用巷道式通風(fēng)方式。

在本隧道施工過程中各工序所用的施工機(jī)械設(shè)備見表1。

表1 隧道施工機(jī)械

隧道中各機(jī)械設(shè)備使用順序以及使用位置如圖1所示，也可由此看出在一個完整施工循環(huán)中各工序順序。首先進(jìn)行鉆孔放炮，再加大通風(fēng)量降低洞內(nèi)粉塵濃度，然后將碴石運(yùn)至洞外，最后進(jìn)行噴漿和支護(hù)。

圖1 隧道施工工序

3 隧道施工噪聲測試

在礦山法隧道施工中，隧道不同里程位置處于不同的施工階段，因此在同一時間節(jié)點會產(chǎn)生不同工序的交叉，導(dǎo)致在一段時間內(nèi)會產(chǎn)生較大的噪聲。

經(jīng)過初步考察及分析，施工時會持續(xù)產(chǎn)生較大噪聲的幾個工序分別是鉆孔、通風(fēng)以及找頂。其中:鉆孔是鉆機(jī)在巖壁鉆出孔洞為其他工序做準(zhǔn)備，如裝藥，測量等；通風(fēng)為采用風(fēng)機(jī)工作為隧道提供所必需的新鮮空氣；找頂是采用人工或機(jī)械方式破除隧道掌子面附近的危巖。

因此針對以上幾個工序進(jìn)行測試，具體測試項目及測試方法見表2。

表2 測試項目信息

針對以上施工階段采用噪聲測試儀器在礦山法隧道施工期間進(jìn)行測試。每次測試單點讀數(shù)三次，取平均值。

3.1 鉆孔

本次測試中打鉆分為兩種方式，第一為手持風(fēng)炮式鉆機(jī)，為了打孔裝藥正常開挖放炮所用，如圖2所示。這種方式即為工人手持風(fēng)炮鉆機(jī)分別站在臺架的各個位置對掌子面進(jìn)行鉆孔，鉆孔持續(xù)時間為4～5 h。第二為大型機(jī)械鉆機(jī)，為打卸壓孔進(jìn)行預(yù)爆破所用，鉆孔深度可達(dá)10 m，鉆孔持續(xù)時間2 h左右，如圖3所示。

圖2 人工鉆孔

圖3 機(jī)械鉆孔

3.1.1 人工鉆孔

人工打鉆產(chǎn)生的噪聲是隧道主要噪聲之一，打鉆持續(xù)時間可達(dá)4～5 h，打鉆工作地點為隧道掌子面，鉆機(jī)數(shù)量為8個，在臺架上有多名工作人員手持鉆機(jī)同時工作。

由圖4測試結(jié)果可知，在打鉆時，越靠近掌子面，噪聲越大，最大可達(dá)到114.2 dB；隨著距離增加，在距離掌子面100 m位置處，噪聲大小為94.5 dB；距離繼續(xù)增加至150 m左右，噪聲大小為88.8 dB，直至距離鉆孔施工位置175 m左右處，風(fēng)炮鉆機(jī)產(chǎn)生的噪聲降低至85.5 dB，達(dá)到安全允許范圍。

圖4 人工鉆孔噪聲大小

從掌子面開始直至距掌子面175 m位置處，噪聲均會對人體造成傷害，尤其是對鉆孔施工人員而言，高達(dá)114.2 dB的噪聲并且持續(xù)4 h以上。

3.1.2 機(jī)械鉆孔

為保證完整測得機(jī)械鉆機(jī)產(chǎn)生的噪聲分布規(guī)律并避免其他工序產(chǎn)生的噪聲影響，本次測試由預(yù)裂爆破機(jī)械鉆機(jī)開始向遠(yuǎn)方行走至軸流風(fēng)機(jī)噪聲范圍即停止。

機(jī)械鉆孔產(chǎn)生的噪聲大小隨著距離的增大基本呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，機(jī)械鉆機(jī)附近產(chǎn)生的最大噪聲為103.2 dB，直至到達(dá)距離機(jī)械鉆機(jī)100 m位置處噪聲為85.3 dB，即降低到臨界分貝，距離增加至150 m時噪聲大小為80 dB，距離達(dá)到250 m時，噪聲大小為69.3 dB，見圖5。

圖5 機(jī)械鉆孔噪聲大小

3.2 通風(fēng)

為保證隧道內(nèi)工作人員安全及工作需要，隧道內(nèi)通風(fēng)需要采用兩種通風(fēng)設(shè)備，即軸流風(fēng)機(jī)、射流風(fēng)機(jī)。

3.2.1 軸流風(fēng)機(jī)

隧道內(nèi)通風(fēng)時軸流風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生噪聲分布見圖6，此次分別測試在軸流風(fēng)機(jī)兩側(cè)測得的噪聲大小以及差別。

圖6 軸流風(fēng)機(jī)噪聲大小

設(shè)定以軸流風(fēng)機(jī)為原點，靠近掌子面?zhèn)葹樨?fù)，遠(yuǎn)離掌子面為正。

可以看出從靠近掌子面一側(cè)開始，在距軸流風(fēng)機(jī)170 m處，測得分貝值最大，為86.7 dB；隨著距離減小，噪聲逐漸減小，到達(dá)軸流風(fēng)機(jī)所在位置時達(dá)到最小，為75.5 dB。

穿過軸流風(fēng)機(jī)到達(dá)對側(cè)后，噪聲突然增大，達(dá)到88.4 dB，然后隨著距離增大，噪聲逐漸降低?？梢钥闯?，隨著與軸流風(fēng)機(jī)位置接近，所測試得的噪聲大小逐漸降低。這是因為在靠近掌子面一側(cè)因為開挖面的影響形成了一個接近封閉的空間，造成了噪聲的反常增大。

3.2.2 射流風(fēng)機(jī)

射流風(fēng)機(jī)位于聯(lián)絡(luò)通道，長度距離有限，因此數(shù)據(jù)測點較少，但基本可以反映射流風(fēng)機(jī)工作時聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)噪聲大小及分布規(guī)律。根據(jù)具體測試數(shù)據(jù)，在射流風(fēng)機(jī)旁測得的噪聲最大，達(dá)到97.5 dB；隨著距離增加在5 m位置處測得噪聲大小為90 dB；直至到達(dá)聯(lián)絡(luò)通道出口處，距離射流風(fēng)機(jī)15 m，噪聲大小為87 dB，仍超過85 dB。

對比軸流風(fēng)機(jī)，射流風(fēng)機(jī)功率遠(yuǎn)小于軸流風(fēng)機(jī)，但測得的噪聲大小卻大于軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的噪聲。這主要是因為在聯(lián)絡(luò)通道狹窄空間內(nèi)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲基本全部作用于聯(lián)絡(luò)通道空間內(nèi)，形成一定密閉空間效應(yīng)，導(dǎo)致噪聲增大。

3.3 找頂

找頂這一階段是在出碴后和初期支護(hù)施作前，為了保障掌子面附件施工人員安全而破除危巖的一個過程。

由于隧道內(nèi)現(xiàn)場條件變化，進(jìn)行了兩種工況下的測試，第一種為掌子面后方無遮擋物，第二種為掌子面后方50 m位置停放有大型施工設(shè)備。

在第一種工況測試鑿巖機(jī)破巖時測得的噪聲大小隨距離的關(guān)系，本次測試范圍為掌子面至二襯施工處。在此段空間內(nèi)噪聲傳播基本呈現(xiàn)隨著距離的增加而逐漸降低。在掌子面附近最大噪聲為94.1 dB；隨著距離增加，在距離達(dá)到60 m左右時，噪聲降低至85.2 dB；直至距離達(dá)到200 m時，即抵達(dá)二襯施作位置，噪聲大小降低為71.7 dB，見圖7。

圖7 無阻礙下找頂噪聲

第二種工況下鑿巖機(jī)破巖時測得的噪聲大小隨距離的關(guān)系如圖8所示，本次測試范圍為由掌子面向遠(yuǎn)方185 m左右處，與第一種工況不同的是在此工況下噪聲傳播呈現(xiàn)隨距離增加先降低后增加再降低的變化趨勢。

圖8 有阻礙下找頂噪聲

在距離鑿巖機(jī)45 m位置處，噪聲最小為92.8 dB；在距離鑿巖機(jī)10 m位置處測得噪聲大小為106.7 dB；在距離超過30 m之后，測得噪聲大小才會低于100 dB，對于施工人員來說處于鑿巖機(jī)附近30 m范圍內(nèi)均處于危險狀態(tài)。在距離40～55 m范圍，噪聲大小隨著距離的增加出現(xiàn)逐漸增加的情況，主要是因為由于施工機(jī)械的遮擋，噪聲傳播空間由大至小，導(dǎo)致本應(yīng)隨距離逐漸降低的噪聲出現(xiàn)反常增大；超過55 m范圍后，測得噪聲又開始隨著距離的增加逐漸降低，直至抵達(dá)二襯施工范圍時，噪聲降低至76.4 dB。

4 結(jié)論及建議

通過對鉆爆法隧道內(nèi)施工期產(chǎn)生較大噪聲的幾個工序進(jìn)行測試，主要得到以下結(jié)論和建議:

(1)在進(jìn)行鉆孔施工時段內(nèi)，若采用人工鉆孔方式，產(chǎn)生的噪聲最大為115 dB左右，會對人體造成危害的距離為175 m左右；若采用機(jī)械鉆孔的方式，產(chǎn)生的最大噪聲為105 dB以上，會對人體造成危害的距離為100 m左右。

(2)隧道進(jìn)行通風(fēng)時，軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的最大噪聲為88 dB，對人體有危害的影響范圍為風(fēng)機(jī)前后80 m左右；布置于聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的射流風(fēng)機(jī)工作時，整體聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)均為危險區(qū)域。

(3)在找頂工序時段內(nèi)，若掌子面附近無遮擋物，產(chǎn)生的最大噪聲為95 dB左右，會對人體造成危害的區(qū)域范圍為60 m左右；若是鑿巖機(jī)工作時附近有遮擋物，實際影響范圍超過60 m，且最大噪聲也超過100 dB。

(4)在產(chǎn)生較大噪聲的工序工作時段內(nèi)，噪聲源附近盡量不要擺放其他大型的施工設(shè)備，以免降低噪聲傳播空間，出現(xiàn)噪聲反常增大。

(5)在對所有持續(xù)產(chǎn)生噪聲的工序進(jìn)行測試后，可以知道人工鉆孔的方式產(chǎn)生的噪聲最大，并且影響范圍最遠(yuǎn)，建議在鉆爆法隧道內(nèi)采用機(jī)械式鉆孔代替人工鉆孔方式，盡量減少作業(yè)面施工人員，降低噪聲源數(shù)量。