钻爆法施工隧道噪声传播特性研究

张振华， 白永厚， 郭 春,*， 程江浩

(1. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031；2. 中交二公局第四工程有限公司， 河南 洛阳 471013)

0 引言

随着隧道施工机械化程度不断提高，各种大功率施工机械产生的噪声已经成为危害作业人员健康的首要因素[1]。然而,国内外学者对于隧道内的噪声研究多集中于运营阶段，主要是对隧道路面材料、墙体构造以及其他降噪材料在隧道内的运用效果进行研究[2-5]。魏庆朝等[6-7]对隧道内主动降噪系统进行了应用研究，发现噪声频率越低、主动降噪效果越好，降噪幅度为3～8 dB。王智勇等[8]对隧道机械化施工中的噪声状况及其危害进行调查，发现现场管理技术人员高频听力损伤发生率为24.3%。杨增祥等[9]提出了一系列隧道施工噪声控制措施，通过改革工艺并选用低噪声设备，使得洞内噪声符合国家卫生健康委员会规定的允许工人日接触85 dB噪声时间不超过8 h的标准。尚雷等[10]选择184名有不同程度听力损伤的隧道作业工人进行体检分析，结果显示，听力呈全听阈广泛性受损，6 000 Hz处听力曲线最低，听力损伤最重。王春雪等通过试验研究得出，施工人员作业疲劳易受噪声影响，持续作业15 min后噪声对施工人员作业疲劳程度影响显著，作业疲劳程度与作业环境中噪声值呈正相关关系[11]；噪声对人的安全注意力具有较为显著的影响作用，安全注意力的广度、稳定性、分配、转移均受噪声影响，安全注意力的稳定性及转移随噪声的增大而降低[12]。

目前研究热点多集中在隧道噪声对工人的健康损害方面，而对隧道噪声空间分布特性、传播特性研究较少，对施工噪声在隧道内的衰减特性没有充分认识，也就无法提出有效的降噪方案。隧道施工期间，其作为一个长度、断面积、壁面材料均动态变化的开口长空间，一个显著特点是由于长度远大于宽度和高度，其声场不扩散，因而经典声学理论不适用[13-14]。因此，研究隧道施工期间全长范围内的真实声场分布特性是困难的，可行的做法是结合隧道施工的特点，研究其主要噪声源附近的声场分布特性。隧道施工期间人员、机械多集中于掌子面，主要噪声源也随着掌子面的推进而移动。研究隧道掌子面的噪声分布特性是对隧道内施工人员进行健康评价的先决条件，在此基础上提出的施工人员噪声防护才是切实可行的。

我国多数公路隧道采用新奥法施工，本文基于新奥法隧道钻爆施工的技术特点，开展现场实测，并将实测结果与数值模拟结果进行对比，研究钻爆法施工隧道掌子面钻眼过程中的噪声频率、空间分布及其在隧道内的衰减特性，以期为隧道内噪声的治理和施工工人的噪声防护提供噪声暴露水平参考，为施工噪声治理提供方向。

1 钻爆法施工隧道噪声现场测试

1.1 工程概况

圭嘎拉隧道为拉泽快速路的控制性工程，采用双洞单线形式，平均海拔4 200 m，长12 850 m。主洞采用三心圆断面，单洞内轮廓净空断面面积为65.65 m2(不含仰拱、不设超高)及81.42 m2(含仰拱)。围岩等级以Ⅳ级围岩为主，主洞及斜井均采用钻爆法施工。

1.2 测试方法

噪声测试仪器选用PAA6型双通道音频测试仪、爱华AWA6223型声校准仪，符合GB 12523—2011《建筑施工场界环境噪声排放标准》、GB/T 15173—2010《电声学声校准器》要求。为防止掌子面风流干扰数据采集，测试过程中传声器外套防风罩。测点布置以钻炮眼工序为例，距离掌子面0～100 m，沿隧道中心线，每隔10 m布置一个测点，麦克风传感器放置高度为1.5 m，每个测点测试时长5 min，测量3次，求取该测点有效数据的平均值代表该工序在该测点下的等效连续声压级。测试过程中，二次衬砌台车暂停噪声较大的施工活动，以防止干扰掌子面测试结果。声源和测点分布如图1所示。

图1 声源和测点分布图

采用矿山法施工的长大隧道掌子面附近空气通常为高粉尘、高湿度、高温度，这些内环境因素均会影响空气密度和阻尼等特性，进而影响噪声在空气中的传播速度和衰减速度。采用干湿计测试掌子面空气湿度，采用便携式红外线温度计测试掌子面空间温度。测试前所有仪器均已调零。

1.3 测试结果

掌子面钻炮眼作业采用人工打眼形式，掌子面台车采用3层台架，现场最多共有13台YT-28型气动凿岩机同时作业，布置形式为第1层6台、第2层4台、第3层3台。距离掌子面最近的测点布置在台车下行车通道中部，距离最近的凿岩机横向距离超过2 m，测试过程中13台凿岩机同时运行，忽略随着钻眼深度的变化导致的凿岩机辐射声功率的变化。

沿隧道轴线测点声压级逐渐减小，距离掌子面最近测点测得最高声压级稳定在108.9 dB(A)，距离掌子面最远测点测得最低声压级89.5 dB(A)。距掌子面10 m距离空间的施工人员分布较为集中，平均声压级为106.63 dB(A)。掌子面前10 m空间内噪声衰减迅速，10～80 m衰减速率趋于平缓，80 m以外衰减速率加快。

为了解钻炮眼工序主要噪声源——气动凿岩机声辐射的频谱特性，对单台凿岩机凿岩时的声辐射进行测试，其1/3倍频程频谱图如图2所示。测试过程中发现气动凿岩机声辐射具有明显的指向性，出风口方向噪声明显大于手持握把方向。具体为全频段噪声，覆盖20～20 000 Hz，以中高频噪声为主，其中2 500 Hz频率段噪声尤其突出，达到了100.6 dB(A)。

图2 单台凿岩机噪声1/3倍频程频谱图

掌子面钻炮眼工序持续时间通常可达数小时，期间钻眼台班工人完全暴露在强噪声环境下，对工人听力会造成不可逆损伤[15]。

测试过程中使用激光测距仪记录现场工序情况，仰拱施作及过桥施工位置距离掌子面65 m，二次衬砌台车距离掌子面80 m；掌子面台车、二次衬砌模板台车长度分别为5 m和6 m；仰拱一次开挖长度为5 m，二次衬砌厚度为300 mm。测试过程中测得的隧道内大气压强为59.883 kPa，空气温度为29 ℃(302.15 K)，作为数值模拟的参数依据。

2 隧道钻眼施工噪声数值模拟

2.1 模型及边界条件

基于Comsol Multiphysics多物理场仿真软件声学模块，根据洞内实际情况，主要针对洞身、掌子面台车、二次衬砌台车、二次衬砌支护、仰拱开挖过桥施工等对象建立数值计算模型，如图3所示。计算模型截取掌子面前方长100 m、宽14.5 m、高7.9 m空间，包含306 827个网格单元，最小网格尺寸0.1 m，最大网格尺寸1 m，以四面体网格为主。入口方向设置完美匹配层边界条件，以减小数值模拟误差。

测试段隧道围岩以花岗岩为主，节理裂隙较发育，属较不完整岩体，为坚硬岩，不利于噪声的吸收消散； 初期支护形式为锚喷支护，喷射混凝土壁面粗糙，有利于噪声的吸收和漫反射； 二次衬砌混凝土壁面相对光滑不利于噪声的吸收；隧道进口端设置为软声场边界，整个测试段隧道内未见明显的噪声控制措施。根据测试所得洞内环境数据，模拟空气温度设置为302.15 K； 隧道内大气压强设置为59.883 kPa； 以1/3倍频程频谱图中声压级最大的2 500 Hz为例，各类壁面对该频率的吸声系数取值如表1所示。

图3 数值计算模型及网格划分

表1 壁面吸声系数(2 500 Hz)[16]

2.2 噪声源输入

数值模拟主要探索钻炮眼过程的噪声传播特性，噪声源参数设置以贴合现场实测为准。气动凿岩机的噪声可归结为排气噪声、冲击噪声、回转噪声和钎杆噪声，其实际上是四极子源、偶极子源、单极子源的混合体，在数值模拟中统一设置为单极子源[16]。单台凿岩机声功率级为110 dB，换算成声功率为0.1 W，式(1)为总声源声功率级和组分声源声功率之间的换算公式。

(1)

式中:LW为总声源声功率级；Wn(n=1,2,…)为子声源声功率；W0为基准声功率，取值为10-12W。

测试过程中共13台凿岩机同时开机，n取13。由此总声功率级为121.1 dB(A)，则总声源声功率为1.3 W。

2.3 数值模拟结果

数值模拟所得隧道表面声压级云图如图4所示，隧道纵向声压级切面图如图5所示。表面声压级和空间声压级衰减规律基本一致，隧道内稳态声压级局部最小值为89 dB(A)，最大值为115 dB(A)； 掌子面台架区域的声压级为110～115 dB(A)，仰拱区域的声压级为95～100 dB(A)，二次衬砌区域的声压级为90～95 dB(A)。

图4 隧道内表面声压级云图(单位： dB(A))

Fig. 4 Sound pressure level nephogram of tunnel inner surface (unit： dB(A))

图5 隧道纵向声压级切面图(单位： dB(A))

Fig. 5 Sectional drawing of tunnel longitudinal sound pressure level (unit： dB(A))

3 数值模拟及现场测试分析

声源声能量流线图如图6所示。假定施工工人人耳高度为1.5 m，在隧道中心线1.5 m高处设置监测线。沿隧道轴线1.5 m高处的声压级现场实测值和数值模拟值对比如图7所示。实测值在前40 m低于数值模拟值，40～100 m高于数值模拟值，实测最大值低于数值模拟最大值3 dB(A)，最小值两者较为接近。

图6 声能量流线图(单位： dB(A))

图7 隧道内1.5 m人耳高度轴向声压级变化

Fig. 7 Changes of axial sound pressure level at 1.5 m of human ear height in the tunnel

实测结果和数值模拟结果总体变化规律一致，但也存在一定偏差，推测是由于洞内壁面条件尤其是洞内路面碎石等条件以及风管等杂物对噪声在隧道内的传播产生了干扰，而数值模型难以体现这些壁面条件的变化。

由图6和图7可以看出，不同施工区域的噪声衰减速率不同，这说明隧道内壁面对声能吸收速率有差异，喷射混凝土和隧道开挖后未铺设混凝土的底板吸收速率较快，二次衬砌以后混凝土壁面噪声衰减速率减慢; 声能量消散的主要原因还是隧道壁面的吸收作用，空气阻尼次之。隧道内噪声总体较大，掌子面附近人耳高度1.5 m处噪声达到110 dB(A)。测试过程中，每个班组工人钻炮眼持续时间长达数小时，远高于由GBZ/T 189.8—2007《工作场所物理因素测量 第8部分： 噪声》规定计算所得97 dB(A)以上工作时长不得超过0.5 h的标准；数值模拟和实测所得二次衬砌区域声压级均达到90～95 dB(A)，国标中对此类区域工作时长限值为1～2 h，然而二次衬砌工序如铺设防水板、钢筋绑扎、混凝土浇筑等工序的工作时长均超过2 h。因此，在有条件的情况下，二次衬砌时工作时间较长的工序排布应尽量避开掌子面钻炮眼工序。

图8示出数值模拟中距掌子面不同距离处的竖向声压级变化曲线，隧道横断面内噪声分布不均匀，由隧道底板到隧道顶板呈现出先上升、后下降的趋势，说明拱形隧道壁面反射后的声能量有明显聚集效应，空间噪声能量分布的最大值点从4 m高处，随距掌子面距离增加而逐渐下移，在距离掌子面20 m后稳定至3.25 m高度，这说明在现有的隧道断面形状设计下，隧道中线3.25 m高处为声能量最集中的点，声压级最高，长期在掌子面工作的人员应尽量避免长时间处于此高度范围内。

图8 距掌子面不同距离处竖向声压级变化

Fig.8 Changes of vertical sound pressure level at different distances from tunnel face

图9示出距掌子面不同距离时横断面内1.5 m人耳高度的声压级分布曲线。由实测和数值模拟曲线均可以看出，声能量横向分布不均匀，总体呈现中间高两边低的趋势，距掌子面10 m处实测声压级差值达到0.2 dB(A)，数值模拟差值达到0.4 dB(A)； 15 m处声压级差值增大，实测和模拟差值均达到0.7 dB(A)。数值模拟值总体上高于实测值； 掌子面前10 m范围内，声能量分布较为杂乱，实测值规律性较差，由于现场同时运行13台凿岩机的声源数量较多，排布和摆放角度在数值模拟中不能准确体现，数值模拟和实测曲线规律存在一定误差。到15 m处以后，声能量分布趋于稳定，数值模拟和实测声压级均持续呈现出中间高两边低，这说明隧道施工噪声在掌子面前经多次反射，拱形断面聚焦效应明显，使得隧道中部声能量大于边墙位置。

(a) 距掌子面10 m

(b) 距掌子面15 m

Fig. 9 Changes of sound pressure level at 1.5 m of human ear height at different distances from tunnel face

4 结论与讨论

1)在钻炮眼过程中，掌子面局部稳态声压级实测最大值为108.9 dB(A)，数值模拟最大值为115 dB(A)，与实测值较为接近。开挖面人耳高度(1.5 m)位置稳态声压级达到100 dB(A)以上，表明掌子面开挖班组施工人员需要佩戴强力噪声隔绝装置。

2)钻炮眼工序噪声为全频噪声，中高频占明显优势，隧道内噪声防治和个人劳保防护应首先考虑中高频下的噪声防护。

3)掌子面钻炮眼的噪声传到二次衬砌和仰拱位置后任然保留了较高的声能量，二次衬砌区域声压级达到91 dB(A)以上，仰拱附近更是达到95 dB(A)，这对二次衬砌和仰拱施工工人产生了较大的健康威胁，在这些区域的工人也应该采取一定的噪声防护措施。

4)隧道高度方向上噪声分布不均匀，隧道内轮廓造型对声能量有聚集作用。由底板到顶板，声压级呈现先上升后下降趋势，同一断面内稳态声压级最大值点出现在距隧道底板中心以上3.25 m高度。隧道纵向噪声衰减速率不均匀，噪声衰减受洞内台车等构筑物和内壁面条件变化影响，呈现出先快速下降后趋于稳定下降的趋势，速率变化段和内壁面变化段基本吻合。

隧道施工噪声问题由来已久，人们对“噪声”这种看不见的污染不够重视，当前研究热点也是表征其对人体的损伤。想要根治噪声问题，需要从声源、传播路径以及个人防护等多方面入手。降低气动工具在隧道内的使用量，加强对声源的监控从而引入主动降噪系统，研发针对特定频率的新型降噪耳塞等是解决隧道内噪声问题的几个研究方向。

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