人車混行城市隧道交通噪聲對行人影響的實驗研究

張振偉，侯萬鈞，黃云峰，褚作勇

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232000；2.河北工程大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，河北 邯鄲 056000；3.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072)

0 引言

受城市地形地貌的影響，越來越多的城市交通采用隧道的形式優(yōu)化城市道路網(wǎng)。城市隧道的交通功能主要包括機動車通行、非機動車通行、行人通行三種功能。對于人車混行的城市隧道，其內(nèi)部的交通噪聲經(jīng)過隧道壁多次反射、疊加，將對隧道內(nèi)的行人聽覺感官造成較大干擾，增加交通事故發(fā)生概率。當隧道內(nèi)發(fā)生事故時，交通噪聲會降低隧道內(nèi)的語言清晰度，影響人員安全疏散[1]。此外，當機動車從行人旁邊通過時交通噪聲聲壓級將驟增，極有可能對行人的聽力造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷。相關(guān)研究表明，當噪聲在60～80 dB(A)時人開始感到煩躁，當噪聲在80～90 dB(A)時人的神經(jīng)細胞受損，當噪聲在90～100 dB(A)時人的聽力受損[2-3]。因此，為了保護市民的身心健康和城市隧道內(nèi)的交通安全，在各地區(qū)進行城市更新建設(shè)時研究城市隧道的聲環(huán)境特點和隧道內(nèi)部交通噪聲治理措施是十分必要的。

本文以人車混行的淮南市洞山隧道為研究對象，使用RTA840雙通道實時分析儀測試了隧道外部、口部、內(nèi)部交通噪聲的聲壓級(dB(A))、頻譜兩種數(shù)據(jù)，分析了隧道外部、口部、內(nèi)部的聲環(huán)境特點[4-5]。

1 城市隧道聲環(huán)境測試

淮南市洞山隧道建于2007年，隧道橫穿舜耕山，連接淮南主城區(qū)、田家庵區(qū)和開發(fā)區(qū)山南新區(qū)，是淮南市融入合肥都市圈的主要通道。洞山隧道雙線長度均為916 m，其設(shè)計為左右分離式曲線隧道，每條隧道斷面包括3條機動車道、1條非機動車與人行共用道、1條檢修道，單洞隧道洞內(nèi)凈寬14.5 m，隧道斷面如圖1所示。隧道內(nèi)洞頂采用鐵藍色防火涂料噴涂；非機動車道和檢修道以上4.8 m高范圍采用青灰白色專用隧道裝飾板，分四幅橫向安裝。非機動車道板鑲貼天然花崗巖面板。

圖1 洞山隧道斷面Fig.1 Cross section of Dongshan tunnel

隧道內(nèi)的交通噪聲主要由機動車產(chǎn)生，為研究機動車噪聲對行人的影響，本文將聲學(xué)測試的測點布置在非機動車道上靠近機動車道一側(cè)。此外為了更加全面地研究從隧道外部到隧道內(nèi)部交通噪聲的變化規(guī)律，將各個測點間隔15 m布置，其中A1、A2、A3測點位于隧道外部，A4測點位于隧道口處，A5、A6、A7、A8測點位于隧道內(nèi)部。測試時測點高度為距離非機動車道地面1.2 m。測點布置圖如圖2所示。

圖2 測試點布置平面圖Fig.2 Layout plan graph of test points

2022年3月5日～6日對洞山隧道東側(cè)單洞隧道進行了聲學(xué)測試，測試時間段為上午9∶00～11∶00，此時間段內(nèi)交通無擁堵，車流密度變化較小并呈現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的特征，車流量約為每分鐘24輛，車速集中在50～60 km·h-1之間。測試期間天氣為晴天、無風，平均氣溫為15℃，空氣相對濕度為68.2%(testo635溫濕度儀)。測試現(xiàn)場照片如圖3所示。

圖3 測試場景照片F(xiàn)ig.3 Photos of the test scenes

1.1 交通噪聲等效聲壓級、頻譜測試與分析

為了研究洞山隧道外部、口部、內(nèi)部的交通噪聲變化規(guī)律，分別在A1～A8這8個測點上測量交通噪聲的等效聲壓級(dB(A))和頻譜，每個測點連續(xù)測試20 min。測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 A1～A8測點上連續(xù)20 min交通噪聲等效聲壓級dB(A)Fig.4 Equivalent sound pressure levels dB(A)of traffic noise at measuring points A1～A8for 20 minutes

對A1～A8測點上連續(xù)20 min交通噪聲等效聲壓級數(shù)據(jù)進行分析，由圖4可知：(1)由A1～A8，位于隧道口越內(nèi)側(cè)的測點處交通噪聲聲壓級越大。(2)交通噪聲聲壓級變化曲線的斜率在A3～A5之間最大，說明交通噪聲聲壓級在隧道口部變化最快。(3)A1、A2、A3點位于隧道外部，其中A1測點與A2測點聲壓級相差只有0.4 dB(A)，說明當距離隧道口部大于30 m時，隧道外部的交通噪聲等效聲壓級趨于穩(wěn)定，因此可將A1測點聲壓級作為隧道外部交通噪聲等效聲壓級，為 72 dB(A)。(4)A5、A6、A7、A8點位于隧道內(nèi)部，其中A7測點與A8測點聲壓級數(shù)值相差只有0.3 dB(A)，說明當距離隧道口部大于45 m時，隧道內(nèi)部的交通噪聲等效聲壓級趨于穩(wěn)定，因此可將A8測點聲壓級數(shù)值作為隧道內(nèi)部交通噪聲等效聲壓級，為82 dB(A)。(5)隧道內(nèi)部交通噪聲等效聲壓級比隧道外等效聲壓級高約10 dB(A)。

選擇A1、A4、A8測點上連續(xù)20 min交通噪聲頻譜作為研究對象分析隧道外部、口部、內(nèi)部的交通噪聲頻譜特征，結(jié)果如圖5所示。由圖5分析可知：(1)城市隧道外部、口部、內(nèi)部的交通噪聲頻譜曲線特征相似，頻譜中的20～2 000 Hz頻段范圍內(nèi)的聲壓級明顯高于2 kHz以上的高頻段的聲壓級，表明隧道外部、口部、內(nèi)部的交通噪聲均以中低頻噪聲為主。(2)交通噪聲頻譜曲線在中低頻段呈“M”形，存在兩個峰值和一個谷值，峰值的頻率主要集中在20～80 Hz頻段和500～2 000 Hz頻段，谷值的頻率主要集中在80～500 Hz頻段。(4)交通噪聲頻譜在高頻段的2～8 kHz范圍內(nèi)聲壓級是隨著頻率的增大而減小，當頻率大于8 kHz時頻譜的聲壓級變化較小，趨于平穩(wěn)，并且隧道外部、口部、內(nèi)部三條頻譜曲線在8～20 kHz頻段的聲壓級幾乎相等，約為40 dB(A)。

圖5 A1、A4、A8測點上連續(xù)20 min測量的交通噪聲頻譜Fig.5 Traffic noise spectrums measured for continuous 20 min at measuring points A1,A4and A8

綜合以上分析可見，洞山隧道內(nèi)部的交通噪聲等效聲壓級高于80 dB(A)，會對人體的神經(jīng)細胞造成損傷，需要進行噪聲治理。隧道內(nèi)部、口部、外部的交通噪聲頻譜都主要以20～2 000 Hz的頻段為主，尤其在20～80 Hz和500～2 000 Hz兩個頻段聲壓級最高，需要有針對性地進行吸聲降噪。

1.2 瞬時交通噪聲聲壓級、頻譜測試與分析

通過在洞山隧道內(nèi)調(diào)研和統(tǒng)計，隧道內(nèi)的車速平均在55 km·h-1，在非機動車道上的行人能明顯感受到車輛從旁邊通過時噪聲瞬間增大，持續(xù)時間約為3 s。為研究車輛從行人旁邊通過時的瞬時交通噪聲影響，本文又選擇隧道外部的A1、口部的A4、內(nèi)部的A8這三處測點進行測試，分別測試了當車輛通過測點時3 s內(nèi)的瞬時交通噪聲聲壓級和頻譜，測試時采用同一輛1.2 t三廂轎車以55 km·h-1的速度在中間車道行駛，作為交通噪聲聲源，在無其他車輛通過時進行測試。對這三個測點處無車經(jīng)過時20 s內(nèi)的背景噪聲聲壓級和頻譜進行了測試。結(jié)果如圖6所示。

圖6 車輛經(jīng)過A1、A4、A8測點時瞬時交通噪聲聲壓級Fig.6 Instantaneous traffic noise sound pressure levels when the vehicle passes through measuring points A1,A4and A8

對A1、A4、A8測點瞬時交通噪聲和背景噪聲聲壓級進行分析，由圖6可知：(1)從整體上看隧道內(nèi)部車輛的瞬時交通噪聲聲壓級最大，隧道內(nèi)部交通噪聲瞬時聲壓級達到86 dB(A)，比隧道口部的瞬時聲壓級高5.9 dB(A)，比隧道外部瞬時聲壓級高11 dB(A)。(2)在背景噪聲方面，隧道內(nèi)部背景噪聲聲壓級明顯較大，測試數(shù)值為75.1 dB(A)；隧道口部背景噪聲聲壓級與隧道內(nèi)部的噪聲聲壓級接近，減小了2.7 dB(A)；而隧道外部背景噪聲聲壓級明顯比隧道內(nèi)部小，減小了12.2dB(A)。(3)從瞬時噪聲聲壓級與背景噪聲的差值來看，在隧道外部時差值最大，為12.1 dB(A)，隧道口部差值最小，為7.7 dB(A)，隧道內(nèi)部差值居中，為10.9 dB(A)。這說明無論在隧道內(nèi)部還是外部，當車輛經(jīng)過時非機動車道上的交通噪聲聲壓級均會瞬間增大10 dB(A)以上。

對A1、A4、A8測點的瞬時交通噪聲和背景噪聲頻譜進行分析，結(jié)果分別如圖7～9所示。由圖7～9可知：(1)隧道外部、口部、內(nèi)部各測點處的瞬時交通噪聲頻譜曲線與同一測點處的背景噪聲頻譜曲線變化趨勢基本一致。(2)隧道口部A4測點和內(nèi)部A8測點的瞬時交通噪聲、背景噪聲頻譜曲線變化趨勢相同，都是在20～2 000 Hz頻段范圍內(nèi)呈現(xiàn)為“M”形，在高頻段的2～8 kHz范圍內(nèi)迅速下降，在8～20 kHz頻段范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定。(3)隧道外部A1測點的瞬時噪聲、背景噪聲頻譜曲線在20～2 000 Hz頻段范圍內(nèi)變化相對平緩，在高頻段的變化趨勢與A4、A8點相同。(4)從瞬時交通噪聲頻譜與背景噪聲頻譜的聲壓級差值看，三個測點處的數(shù)據(jù)都是瞬時噪聲頻譜在8～20 kHz頻段范圍內(nèi)聲壓級增大不明顯，而在20～8 000 Hz頻段范圍內(nèi)聲壓級均明顯增大，聲壓級增大5～15 dB(A)。

圖7 隧道內(nèi)部A8測點瞬時交通噪聲和背景噪聲頻譜Fig.7 Spectrums of instantaneous traffic noise and background noise at the measuring point A8(inside the tunnel)

圖8 隧道口部A4測點瞬時交通噪聲和背景噪聲頻譜Fig.8 Spectrums of instantaneous traffic noise and background noise at the measuring point A4(the mouth of tunnel)

以上分析說明，當車輛從行人旁邊通過時，隧道內(nèi)部聲環(huán)境明顯比隧道外部惡劣，隧道內(nèi)部的瞬時交通噪聲聲壓級達到了86 dB(A)，比隧道內(nèi)測試的交通噪聲等效聲壓級(82 dB(A))高4 dB(A)，可見瞬時交通噪聲對人耳的沖擊影響不可忽略。尤其當隧道內(nèi)部有連續(xù)不斷的車輛從行人身旁通過時，將可能損害行人的神經(jīng)細胞和聽力。通過對瞬時交通噪聲頻譜特征分析可知，在噪聲治理時應(yīng)重點對20～2 000 Hz，尤其是20～80 Hz和500～2 000 Hz這兩個頻段進行吸聲降噪。

圖9 隧道外部A1測點瞬時交通噪聲和背景噪聲頻譜Fig.9 Spectrums of instantaneous traffic noise and background noise at the measuring point A1(outside the tunnel)

2 隧道內(nèi)聲環(huán)境改善措施

通過對比分析洞山隧道外部、口部、內(nèi)部的聲環(huán)境測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)洞山隧道外部的交通噪聲低于隧道內(nèi)約10dB(A)，而隧道內(nèi)部的交通噪聲等效聲壓級和瞬時交通噪聲聲壓級均已超過80 dB(A)，可能會對聽力成損傷。本文結(jié)合測試結(jié)果和洞山隧道實際，從吸聲、隔聲、交通管理三個層面提出隧道內(nèi)部交通噪聲治理措施。

(1)在吸聲降噪方面，建議將洞山隧道的普通瀝青路面改造為降噪性能較好的多孔瀝青路面，可有效吸收輪胎與路面摩擦產(chǎn)生的低中頻噪聲[6-8]；利用吸聲性能較好的防火噴涂對隧道頂棚進行噴涂改造，K-13B型防火吸聲噴涂在500 Hz～4 kHz頻段具有較好的吸聲效果，可作為優(yōu)選材料，噴涂厚度不小于25 mm[2-3]；采用防火防潮性能優(yōu)良的砂巖環(huán)保吸聲板對隧道側(cè)墻進行改造，該材料在125 Hz～4 kHz頻段具有很好的吸聲效果，側(cè)墻吸聲結(jié)構(gòu)如圖10所示，墻面基板為6 mm厚砂巖環(huán)保吸聲板，板后覆50 mm厚玻璃棉，后空腔預(yù)留150 mm空氣層[9-10]。

圖10 砂巖吸聲板、玻璃棉和空腔合成的側(cè)墻結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structural drawing of side wall composed of sandstone sound absorbing board,glass wool and cavity

(2)根據(jù)在隔聲方面，由于隧道內(nèi)部的通風和防火要求，不能將洞山隧道的非機動車道與機動車道進行完全分隔改造，但是可通過在非經(jīng)動車道臨近機動車道的側(cè)邊增設(shè)隔聲屏障的方式，將汽車通過時的瞬時交通噪聲、鳴笛聲等直達聲和部分反射聲進行反射，在非機動車道上形成聲影區(qū)，降低瞬時交通噪聲對人耳的沖擊，如圖11所示。同時為了滿足非機動車道上采光照明要求及行人視覺感受不壓抑，建議聲屏障高度為1.8 m，并應(yīng)具有較大面積的透光窗和良好的防火性能[11]。

圖11 聲屏障改造示意圖Fig.11 Schematic diagram of sound barrier reconstruction

最后在交通管理方面，嚴禁車輛在隧道內(nèi)鳴笛，防止高分貝瞬時噪聲對行人的影響；嚴格要求非機動車駕駛?cè)伺宕黝^盔，頭盔對人耳具有一定的保護作用；隧道內(nèi)機動車單車車速在40～80 km·h-1區(qū)間時，車速每增加1 km·h-1，噪聲值平均增加0.35 dB(A)[3]，因此應(yīng)嚴禁機動車在隧道內(nèi)超速，并且將隧道內(nèi)目前60 km·h-1的限速適當降低會有效降低隧道內(nèi)的交通噪聲。

3 結(jié)論

本文通過對淮南市人車混行的洞山隧道交通噪聲進行實驗研究，得到以下結(jié)論：

（1）隧道內(nèi)部的交通噪聲等效聲壓級為82dB(A)，比隧道外等效聲壓級高10 dB(A)。

（2）隧道外部、口部、內(nèi)部的交通噪聲頻譜曲線特征相同，在20～2 000 Hz范圍內(nèi)聲壓級較高且呈“M”形。

（3）當車輛在隧道內(nèi)部從行人旁通過時，交通噪聲瞬時聲壓級達到86 dB(A)；瞬時噪聲頻譜相比于背景噪聲頻譜在20～8 000 Hz頻段范圍內(nèi)聲壓級均有明顯增大。