施工隧道噪聲特性識(shí)別及防護(hù)研究

陳衛(wèi)宏, 李 誠(chéng), 王 達(dá), 高超新, 劉 東, 陳世強(qiáng), 陳品明, 馮 威

(1.福建省路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司天巴三標(biāo)項(xiàng)目部, 福州 350004; 2.廣西交通投資集團(tuán)有限公司, 南寧 530025;3.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201; 4.浙江交工集團(tuán)股份有限公司, 杭州 310052)

截至2020年底,全國(guó)公路隧道里程已達(dá)到21 999.3 km,隧道建設(shè)正聚焦西部[1],隧道建設(shè)步入攻堅(jiān)克難階段。建設(shè)過(guò)程具有循環(huán)工序、連續(xù)施工等特點(diǎn),各類大型設(shè)備運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生持續(xù)性高強(qiáng)度噪聲,作業(yè)人員長(zhǎng)期暴露在高強(qiáng)度噪聲中,存在噪聲職業(yè)危害,不利于健康及工作效率,故隧道內(nèi)噪聲治理問(wèn)題不容忽視[2-4]。

隧道施工噪聲研究主要集中在隧道內(nèi)部特征、隧道施工階段、控制與預(yù)防。例如,張振華等[5]研究了掌子面的噪聲傳播規(guī)律,并發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)輪廓可聚集噪聲能量;不同施工階段噪聲不同,王智勇等[6]利用頻譜分析法,發(fā)現(xiàn)鑿巖過(guò)程中,噪聲的干涉與反射是聲壓級(jí)大的主要原因;周健[7]以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為支撐,界定了施工隧道中工序?qū)υ肼暤挠绊懛秶?Lee等[8]以施工階段和施工機(jī)械為研究目標(biāo),評(píng)價(jià)了噪聲干擾下對(duì)個(gè)體的不利影響;對(duì)不同施工階段下各崗位的環(huán)境噪聲,麥詩(shī)琪等[9]進(jìn)行了環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)機(jī)械操作手作業(yè)的噪聲工作高達(dá)102.1 dB(A)。接下來(lái),對(duì)于設(shè)備與環(huán)境的噪聲關(guān)系,通過(guò)研究通風(fēng)機(jī)、碎石機(jī)對(duì)周圍環(huán)境干擾,王奇[10]劃分了強(qiáng)、弱影響區(qū)。高昕[11]明確了設(shè)備數(shù)量與噪聲關(guān)系,發(fā)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備比單臺(tái)設(shè)備噪聲高5～10 dB(A)。最后,對(duì)于噪聲控制及預(yù)防,Xing等[12]建立了噪聲評(píng)估模型,以及評(píng)價(jià)施工駕駛員的環(huán)境適應(yīng)能力,有利于崗前培訓(xùn),避免潛在危險(xiǎn)。楊增祥和田培忠[13]基于新技術(shù)、新管理,提出有效的控制噪聲及噪聲防護(hù)方案。此外,部分學(xué)者研究隧道內(nèi)其他職業(yè)病危害的識(shí)別方法[14-15],以及隧道運(yùn)營(yíng)階段噪聲特征[16-18]。

綜上所述,現(xiàn)階段循環(huán)作業(yè)噪聲特性研究較少,各類噪聲頻段能量分布不明確,無(wú)準(zhǔn)確的隧道噪聲防護(hù)建議?；诖?結(jié)合隧道內(nèi)部分布及長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)工序的噪聲特性,分析空間距離與噪聲的關(guān)系,得到工序與噪聲頻譜關(guān)系;以經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法,確定噪聲能量分布,得出各工序噪聲控制優(yōu)先級(jí),以期為施工隧道噪聲控制及預(yù)防提供支持。

1 工程概況

天峨至巴馬高速公路拾貳坡隧道,位于鳳山縣砦牙久隆村累懷東150 m處,隧道總體走向?yàn)槟?北向。隧址屬構(gòu)造剝蝕、侵蝕中低山地貌,穿越山體,設(shè)計(jì)為分離式+小凈距特長(zhǎng)隧道。該隧道長(zhǎng)度為4.732 km,進(jìn)、出口高程為742.652 m和776.945 m,最大埋深430 m,隧道橫截面如圖1所示。隧道采用壓入式通風(fēng)方式,風(fēng)機(jī)選型為SDF(B)-4-№11,風(fēng)量為1 550 m3/min,布設(shè)于隧道洞口左側(cè),右側(cè)為配電柜。

圖1 施工隧道橫截面

2 現(xiàn)場(chǎng)噪聲測(cè)量方案

2.1 測(cè)量準(zhǔn)備及設(shè)備

由于隧道采用鉆爆法,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察,在單次完整的施工循環(huán)中,爆破、鉆孔、噴漿、運(yùn)碴等作業(yè)時(shí)都具有高強(qiáng)度噪聲。因此,選用測(cè)量范圍廣的科賽樂(lè)63X型聲壓計(jì),用于職業(yè)噪聲及職業(yè)健康噪聲檢測(cè),具有A、C、Z三種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò),頻率范圍為12.5～20 kHz,線性測(cè)量范圍為20～140 dB,滿足隧道各區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量需要,亦可通過(guò)相應(yīng)軟件實(shí)現(xiàn)等效聲級(jí)的換算。

2.2 噪聲分布規(guī)律測(cè)點(diǎn)布置

隧道噪聲規(guī)律,分為噪聲分布規(guī)律及主要工序噪聲規(guī)律,結(jié)合GB3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T2888—2008《風(fēng)機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法》進(jìn)行布設(shè)測(cè)點(diǎn),沿洞口-掌子面方向,測(cè)點(diǎn)間隔50 m,距離地面1.5 m,距離隧道側(cè)壁1.5 m,其測(cè)點(diǎn)布置平面,如圖2所示。

為噪聲測(cè)量的準(zhǔn)確性,單測(cè)點(diǎn)噪聲連續(xù)測(cè)量3次,每次測(cè)量時(shí)間不少于30 s。噪聲測(cè)量分為兩部分,一部分為僅有個(gè)別工作人員,可近似地認(rèn)為未施工噪聲測(cè)量,另一部分為循環(huán)工序環(huán)境噪聲測(cè)量,由于不同工序作業(yè)區(qū)域不同,工序噪聲按區(qū)域劃分進(jìn)行量化。

圖2 隧道及噪聲測(cè)點(diǎn)布置

3 隧道噪聲分布規(guī)律

3.1 未施工下的隧道噪聲分布

確定隧道噪聲分布規(guī)律,主要為確定特定區(qū)域?qū)υ肼暦植甲兓绊?為盡可能排除隧道施工噪聲的影響,選擇未施工狀態(tài)下,但是此時(shí)壓入式通風(fēng)機(jī)的調(diào)頻值為24.2 Hz,按照測(cè)量方案,對(duì)噪聲進(jìn)行測(cè)量,得到噪聲分布規(guī)律,如圖3所示。

分布規(guī)律變化主要源于隧道環(huán)境的變化,由圖3可知,從洞口至養(yǎng)護(hù)臺(tái)車處,聲壓級(jí)呈現(xiàn)隨著距離減速減小趨勢(shì),但是在750 m附近區(qū)域聲壓級(jí)基本持平,與洞口噪聲相比,下降20 dB(A),且保持著整體規(guī)律為隧道右側(cè)聲壓級(jí)大于左側(cè),即配電柜側(cè)大于風(fēng)機(jī)側(cè)。

在經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)臺(tái)車后,噪聲聲壓級(jí)大幅度減小,發(fā)現(xiàn)有一組異常點(diǎn)的聲壓級(jí)陡增,是由于車輛噪聲引起的噪聲增加,且部分施工人員小范圍作業(yè)影響部分點(diǎn)的噪聲分布,噪聲規(guī)律仍未改變。當(dāng)噪聲在1 250、1 500 m附近時(shí),存在異常點(diǎn),改變隧道兩側(cè)噪聲分布規(guī)律,這兩組測(cè)量離車行橫通道較近,噪聲規(guī)律被鄰洞噪聲干擾。

噪聲作為復(fù)雜信號(hào),特性多體現(xiàn)在頻域上,為研究未施工時(shí)防水板臺(tái)車的環(huán)境噪聲,對(duì)噪聲進(jìn)行傅立葉變換,主要對(duì)局扇(4葉片)噪聲進(jìn)行頻譜分析,人耳可分辨的噪聲最小為20 Hz,即頻譜圖范圍從20 Hz開始,為了觀察頻譜變化規(guī)律,對(duì)橫軸的頻率對(duì)數(shù)化處理,如圖4所示。

由圖4可知,局扇的聲壓級(jí)變化規(guī)律呈現(xiàn)出V字形,在100～400 Hz的噪聲聲壓級(jí)較小,在700.2 Hz處達(dá)到最高點(diǎn),達(dá)到62.39 dB(A),旋轉(zhuǎn)噪聲表現(xiàn)為離散的特點(diǎn),所以,最高點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)噪聲的某高階諧頻;進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)有多處峰值大于60 dB(A),進(jìn)一步說(shuō)明,局扇噪聲的主要噪聲源為旋轉(zhuǎn)噪聲。表1為未施工時(shí)的隧道部分區(qū)域噪聲,可知臺(tái)車環(huán)境噪聲為74.8 dB(A),與局扇噪聲相差不大,說(shuō)明臺(tái)車環(huán)境主要噪聲為多臺(tái)局扇的噪聲的疊加噪聲。

圖3 隧道分布規(guī)律

在表1的基礎(chǔ)上,結(jié)合圖3,發(fā)現(xiàn)防水板臺(tái)車多臺(tái)局扇保持開啟,導(dǎo)致局部區(qū)域的噪聲驟增,當(dāng)噪聲傳播至下臺(tái)階與下臺(tái)階時(shí),噪聲大幅度降低。同時(shí),上臺(tái)階與下臺(tái)階的噪聲差異大,說(shuō)明上臺(tái)階抑制了局扇噪聲的傳播,當(dāng)傳播至掌子面處,掌子面噪聲聲壓級(jí)僅有洞口噪聲一半。

3.2 工作區(qū)域環(huán)境噪聲

在鉆爆法包括鉆孔、運(yùn)碴、放線、裝藥、噴漿等工序,鉆孔、運(yùn)碴、噴漿在隧道開挖循環(huán)時(shí)間占比大[19],長(zhǎng)時(shí)間暴露在高強(qiáng)度噪聲下,影響著健康及工作效率[2],所以有必要對(duì)不同工種的不同區(qū)域環(huán)境噪聲展開測(cè)定,如表2所示。

根據(jù)聲壓級(jí)大小,可以將工序分為出碴類、噴漿類、鉆孔類、其他類。鉆孔噪聲分為下臺(tái)階噪聲、上臺(tái)階噪聲、掌子面噪聲三個(gè)部分,鉆孔類噪聲差異較大,最大聲壓級(jí)差值可達(dá)到10 dB(A)?，F(xiàn)場(chǎng)采用臺(tái)階爆破法,故鉆孔分為在下臺(tái)階鉆孔及掌子面鉆孔,其現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

由圖5和表2可知,掌子面噪聲特點(diǎn)為多孔開鉆、人數(shù)多、高噪聲,下臺(tái)階的開孔少、人數(shù)少,所以噪聲相差大。出碴類噪聲與噴漿類噪聲相差不大,各工序聲壓級(jí)大小總體表現(xiàn)為鉆孔類>出碴噴漿類>其他類,而噪聲的控制及預(yù)防,需要首先明確噪聲細(xì)節(jié)差異。

圖4 局部風(fēng)機(jī)頻譜

表1 未施工時(shí)隧道部分區(qū)域噪聲

表2 各工序下的隧道區(qū)域噪聲

進(jìn)一步,對(duì)表2中各工序噪聲的倍頻程分析,所得結(jié)果如圖6所示。

由圖6和表2可知,鉆孔作業(yè)三個(gè)區(qū)域的倍頻程有明顯區(qū)別。具體為,掌子面噪聲聲壓級(jí)高,在全頻段均最高,在上臺(tái)階與下臺(tái)階噪聲聲壓級(jí)近似相等,區(qū)別在于當(dāng)頻帶中心頻率2 048 Hz以下,上臺(tái)階大于下臺(tái)階噪聲。但是,當(dāng)大于2 048 Hz,上臺(tái)階小于下臺(tái)階噪聲。運(yùn)碴時(shí)和空載噪聲聲壓級(jí)相同,但是,主要在中低頻變化明顯;進(jìn)一步,64 Hz處變化最大,空載的噪聲高于運(yùn)碴。這表明,運(yùn)碴作業(yè)對(duì)低頻噪聲有抑制作用。噴漿主要噪聲源頭主要為高頻噪聲,在高頻僅低于鉆孔噪聲,低頻噪聲小。在倍頻程分布上,裝碴、運(yùn)碴、空載大致相同。

4 隧道噪聲問(wèn)題分析

隧道噪聲職業(yè)危害與區(qū)域人員分布有關(guān),如防水板臺(tái)車及防水臺(tái)車處人員分布較為密集。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn),防水板臺(tái)車及防水板臺(tái)車周圍環(huán)境噪聲,不是單一工序引起噪聲,而是多數(shù)工序及工種噪聲疊加而成,聲場(chǎng)較為復(fù)雜,復(fù)雜噪聲對(duì)聽(tīng)力影響更為嚴(yán)重。要明確噪聲的區(qū)別,可利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解可提取出信號(hào)特性[20-21],分解為模態(tài)分量(intrinsic mode functions,IMF),表征不同時(shí)間尺度下

圖5 鉆孔施工現(xiàn)場(chǎng)

圖6 各工序的倍頻程

的局部特征。模態(tài)分解一般需滿足以下條件,極值點(diǎn)的個(gè)數(shù)與過(guò)零點(diǎn)個(gè)數(shù)最大差值為1,任意時(shí)刻的上包絡(luò)與下包絡(luò)呈局部對(duì)稱關(guān)系。

模態(tài)分解過(guò)程為:①求取信號(hào)的極值點(diǎn),極大值擬合為上包絡(luò)線,極小值擬合為下包絡(luò)線;②取上下包絡(luò)線的平均值,計(jì)算原信號(hào)與平均值之差,得到新信號(hào);③判斷符合條件,并迭代。

根據(jù)以上方式,對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行5層分解,得到由高頻到低頻的IMF分量,如圖7所示。

圖7 環(huán)境噪聲EMD分解示意

圖7中,IMF1～I(xiàn)MF5所代表各代表的頻率范圍,分別為1 160～16 200 Hz、779～5 040 Hz、369～2 030 Hz、128～817 Hz、97.9～359 Hz,相對(duì)能量占比分別為14.72%、20.03%、14.53%、11.48%、3.84%。對(duì)于防水板臺(tái)車環(huán)境噪聲,246～5 040 Hz的能量占比為34.56%,并以高頻噪聲能量為主。

在既往研究中,例如,根據(jù)聽(tīng)力與不同頻段噪聲的研究[22-24],高頻噪聲聽(tīng)力損失,是職業(yè)性耳聾的前期表現(xiàn)階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)具體表現(xiàn)為,0.5 kHz～6 kHz頻段均存在聽(tīng)力下降情況,6 kHz、4 kHz的聽(tīng)力損失最為嚴(yán)重,年齡40～50歲或者工齡在10～20年的職業(yè)性噪聲接觸者的聽(tīng)力損失最為嚴(yán)重。不僅如此,處于高噪環(huán)境吸煙會(huì)極大增加高頻聽(tīng)力損失發(fā)生概率[25],重度吸煙影響低頻段聽(tīng)力[26]。進(jìn)一步,結(jié)合圖7的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解及其各頻段能量可知,隧道噪聲能量集中在246～5 040 Hz,與職業(yè)性耳聾噪聲聽(tīng)力易損失頻段高度重合,此頻段噪聲為重點(diǎn)控制噪聲頻段。

利用等干擾噪聲評(píng)價(jià)(NR)曲線簇[27],結(jié)合防水板臺(tái)車環(huán)境噪聲及各工序噪聲,量化重點(diǎn)控制噪聲頻段對(duì)人的實(shí)際影響,如圖8所示。

由圖8可知,鉆孔類的評(píng)價(jià)數(shù)大小關(guān)系為,掌子面>下臺(tái)階>上臺(tái)階,分別為103.7、93.7、88.9。運(yùn)碴類的大小關(guān)系為;裝碴>運(yùn)碴>運(yùn)碴車空載,分別為82.6、81.6、80.6。噴漿的評(píng)價(jià)數(shù)為83.4,而其他工況下曲線為73.7,防水板臺(tái)車環(huán)境噪聲為80.4。根據(jù)評(píng)價(jià)數(shù),各工序的噪聲總體關(guān)系為鉆孔類>噴漿>出碴類>其他類,防水板環(huán)境臺(tái)車與出碴類的類似,該關(guān)系等同于噪聲控制的優(yōu)先級(jí)。

基于上述隧道噪聲分析,提出噪聲控制方案,隧道壓入式風(fēng)機(jī)側(cè)小于隧道另一側(cè),在隧道布設(shè)設(shè)備及人員準(zhǔn)備作業(yè)時(shí),應(yīng)盡量布設(shè)在隧道壓入通風(fēng)機(jī)側(cè)。鉆孔作業(yè)人員受到噪聲水平高,原因是高頻噪聲的顯著提高,且明顯大于其他工序噪聲,且鉆孔時(shí)間較久。此外,噴漿作業(yè)的高頻噪聲也較大,建議長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)人員應(yīng)佩戴抑制高頻噪聲的耳塞,同時(shí)在管理上,應(yīng)杜絕吸煙,以加強(qiáng)個(gè)人健康防護(hù)。長(zhǎng)大隧道聲場(chǎng)相當(dāng)于擴(kuò)散聲場(chǎng),由直達(dá)聲及混響聲疊加形成[28],由防水板臺(tái)車噪聲處噪聲分析,整個(gè)聲場(chǎng)的主要噪聲來(lái)源于多臺(tái)風(fēng)機(jī)的噪聲疊加,可通過(guò)增加吸聲材料,減小防水板臺(tái)車區(qū)域環(huán)境噪聲。

圖8 重點(diǎn)頻段的NR曲線

5 結(jié)論

隧道噪聲能量集中在246～5 040 Hz,與職業(yè)性耳聾噪聲聽(tīng)力易損失頻段高度重合,各工序下的噪聲控制優(yōu)先級(jí)為鉆孔類>噴漿>出碴類>其他類,為隧道噪聲治理及控制提供參考。

未施工隧道噪聲規(guī)律為配電柜側(cè)大于風(fēng)機(jī)側(cè)噪聲,臨近車行橫通道時(shí)可能導(dǎo)致規(guī)律改變。防水板臺(tái)車的主要噪聲源為局部風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)噪聲,上臺(tái)階抑制臺(tái)車上局扇的噪聲傳播。

各工序聲壓級(jí)大小為鉆孔類>出碴噴漿類>其他類。噴漿運(yùn)碴作業(yè)的低頻噪聲有抑制作用。鉆孔作業(yè)噪聲特性隨空間位置變化,當(dāng)頻帶中心頻率2 048 Hz以下,上臺(tái)階大于下臺(tái)階噪聲;當(dāng)大于2 048 Hz,上臺(tái)階小于下臺(tái)階噪聲。