流水机组法管片混凝土振捣噪声控制技术

陈永敬, 刘臻真, 郭 岩, 王义朋

(1.中铁十四局集团房桥有限公司，北京 102400；2.中安绿创(北京)职业卫生建设工程设计研究院有限公司，北京 102400)

目前盾构管片生产主要采用流水机组法和固定台座法两种生产方式，附着式振动器振捣是流水机组法管片生产常用方法，它通过振动器的工作带动模型振动来完成混凝土的密实。这种作业方式生产效率高、施工质量稳定，普遍被管片生产单位所采用，但相对于插入式振捣，会产生更大的振动噪声，特别是对于大直径盾构管片模具而言，振动器附着数量高达8个，振捣过程中模具附近产生噪声高达127 dB(A)。研究前，振动室采取砌筑砖墙、粘贴吸声棉、安装模具进出提升门等方式进行封堵，由于不能做到完全封堵、吸音棉效果有限、隔振措施不到位等原因，振动区附近及操作室内，噪声仍然达到高达100 dB(A)以上。长期强噪声作业不仅可以干扰工作效率，易造成安全事故的发生[1-2]，还能对人的听觉系统、神经系统和心脑血管系统造成重要影响[3]。

本文研究依托北京东六环(京哈高速—潞苑北大街)改造工程盾构隧道盾构管片施工开展，考虑同类声源的频谱特性和噪声强度，结合吸声、消声、隔声以及阻尼减振等方式，通过合理设计使作业环境达到噪声治理标准。东六环隧道是目前国内直径最大的盾构隧道，该隧道管片外径15 400 mm、厚度650 mm、宽度2 000 mm，单块管片最大重量17.8 t，采用C60高强混凝土预制，配备8个高频振动器进行振捣。

1 噪声源识别

盾构管片混凝土振捣工序振动包括3个方面：混凝土料斗的侧面电动振动器产生的撞击、振动器与管片模具之间的撞击以及模具与轨道之间的撞击。撞击过程产生的机械噪声一部分是振动器工作时直接撞击产生的，另一部分是撞击导致管片模板振动产生的二次噪声，此部分噪声的特性与振动台工作振动频率振幅及钢模大小有关。

同类生产线噪声测量类比数据显示，浇筑振动时，设备近场噪声为104.9 dB(A)；混凝土料斗下料时，设备近场噪声为105.5 dB(A)。各噪声数据的频谱见图1。

图1 各级噪声频谱分布

通过图1可以看出，噪声整体呈宽频特性，声能量主要集中在中、低频区域，并在100 Hz和125 Hz出现峰值，高频区域声能量也不能忽视。由于中、低频噪声传播特性为穿透力强、空气吸收能力较弱、容易产生绕射等现象，影响范围很广，属于比较难治理的噪声源。

2 噪声控制目标及原理

2.1 治理目标

根据《工作场所有害因素职业接触限值第2部分：物理因素》(GBZ2.2-2019),对于生产车间每周工作5 d、每天工作8 h的工人，稳态噪声限值为85 dB(A)，非稳态噪声等效声级的限值为85 dB(A)。

结合(GBZ2.2-2019)和员工的作业班制情况，最终设计目标确定为振捣室外1 m处噪声低于85 dB(A)、操作室内噪声低于80 dB(A)，这样可以大大提高员工的作业声环境质量，减少声暴露。

2.2 理论依据

根据相关文献[4-6]，分别采用隔声、消声、吸声和阻尼减振等方式进行降噪设计。

2.2.1 隔声

单层匀质构件和双层构件隔声量计算的经验公式采用公式(1)和公式(2)，无论是单层结构还是双层结构，其隔声特性受到共振和吻合效应的影响，通过设计，尽量使隔声所要求的频率避开共振频率f0和吻合效应频率fc。

R单=16lgM+14lgf-29

(1)

R双=16lg[(M1+M2)f]-30+ΔR

(2)

式中：R单、R双为隔声量(dB)；M为单层壁单位面积质量(kg/m2)；M1和M2为两个单层壁单位面积质量(kg/m2)；f为入射波频率(Hz)；ΔR为空气层附加隔声量(dB)。

对于多个构件组成的隔声墙的组合隔声量采用公式(3)～公式(5)计算：

(3)

(4)

(5)

2.2.2 消声

对所有的空气动力性噪声统一采用消声治理措施，噪声源采取消声治理后，要求既要有适宜的消声量(即声学性能)，同时对设备的运行不能有明显的影响(即良好的空气动力性能)。消声器是一种既能使噪声得到有效的衰减又能保证气流正常通过的一种设备。阻性消声器消声量参考公式(6)和公式(7)计算：

(6)

(7)

式中:ΔL为消声量(dB)；P为消声器断面周长(m)；L消声器有效长度(m)；S消声器通道横截面积(m2)；α0为法向吸声系数。

2.2.3 吸声

在噪声源周围设置隔声围护结构的内侧壁面上做必要的吸声处理(加工机内部)，不但可有效加强隔声围护结构的隔声量，而且可降低室内的混响声达3～5 dB(A)，同时改善操作人员的操作环境，起到一定的劳动保护作用。房间内的平均吸声系数按照公式(8)计算：

(8)

式中:Sn为各面面积(m2)；αn为各面的吸声系数。

2.2.4 阻尼减振降噪

通过运用基础与设备间安装的隔振元件由于弹性变形和阻尼的作用、使振动能量消耗减小振动的传递这一原理，减小噪声。

3 噪声隔离装置的设计

3.1 总体方案

采用以隔声为主其他各种综合治理措施为辅的方案是降低工作场所噪声强度的重要途径[7-8]。研究表明，隔声装置的隔声能力取决于其形状和尺寸、结构刚性、开口面积、隔声材料的隔声量、罩内平均吸声系数等多种因素[9]。本研究将振捣室与振捣操作室分开，振捣设备设计单独的隔声罩，操作人员在隔声观察室操作，以此达到保护设备操作人员和降低该设备对整个车间声环境影响的效果。本研究方案见图2,左侧为隔声罩，右侧为隔声观察室。

图2 隔声装置设计(单位：mm)

为使得相应隔声设计能达成预期目标，在建设过程中应当注意到防止缝隙和孔洞漏声，做好轨道底部与地面的缝隙封堵，门窗等薄弱处采用粘贴毛毡类吸音材料或者软橡胶条进行封堵。

3.1.1 隔声罩设计

振捣设备隔声罩的设计综合降噪量R≥25 dB(A)，外形尺寸为9.0 m×6.1 m×3.8 m，隔声罩墙面采用240 mm砖墙和50 mm厚吸隔声复合结构，复合隔声量≥52 dB(A)，内侧吸声系数0.9。隔声罩管道模具轨道进出口分别设置自动隔声提升门(2.36 m×2.2 m)，隔声量≥25 dB(A)；隔声罩顶部采用100 mm吸隔声板材，并设置自动推拉门(2.3 m×2.3 m)，隔声量≥30 dB(A)，方便混凝土料车卸料。南侧提升门墙面设置一道隔声量≥35 dB(A)的进出隔声门(0.8 m×2.0 m)，由于隔声罩提升门和自动推拉门开合频繁，不考虑散热通风。

在本研究中为了阻断振动台与生产线的连接，隔声罩底部设计了独立的振动台，同时振动台上下支架之间设计多个橡胶气囊，振动时气囊顶起，减少对地面的冲击力。独立振动台结构见图3。

图3 隔声罩底部独立振动台

3.1.2 隔声观察室设计

隔声观察室设计综合降噪量R≥30 dB(A)，外形尺寸为9.0 m×2.8 m×2.6 m，观察室面向振捣设备面设置隔声量≥45 dB(A)的双道夹胶玻璃作为观察窗(1.75 m×2.0 m)。南北两侧设置两道隔声量≥35 dB(A)的进出隔声门(1.2 m×2.2 m)、照明系统和通风系统。本研究中隔声观察室由于有人员存在，按照每人新风量30 m3/h核算，同时通风口加装消声器，消声量≥20 dB(A)。

3.2 声学核算与治理效果评价

3.2.1 隔声罩各墙面隔声核算

隔声罩内平均吸声系数根据各构件的面积和吸声系数按照公式(8)计算，计算结果见表1。隔声罩各墙面实际隔声量计算结果见表2。

表1 隔声罩内平均吸声系数计算

表2 隔声罩各墙面隔声计算结果

3.2.2 隔声观察室降噪核算

表3 隔声观察室平均吸声系数计算结果

隔声观察室内设计一台通风口片式消声器，片间距100 mm，片高度为400 mm，有效长度为800mm，片吸声系数α0为0.8，根据公式(6)计算φ(α0)为1.66。当α0≥0.6，φ(α0)计算值远大于实测值，根据文献[4]推荐使用经验值1.2，再利用公式(6)计算消声量为24 dB(A)。

3.3 噪声控制效果

综上取现场设备噪声值为105 dB(A)。隔声观察室内观察窗面隔声量为32.8 dB(A)，室内噪声计算值为72.2 dB(A)；隔声罩提升门面隔声量为23.1 dB(A)，设备外噪声计算值为81.9 dB(A)；隔声罩顶面隔声量为22.9 dB(A)，顶面外噪声计算值为82.1 dB(A)，经计算噪声设计能达到预期要求。

该项目进行工程实施后，隔声罩内测试噪声水平为108 dB(A)，隔声观察室内噪声水平为76 dB(A)。隔声罩提升门1 m测点噪声水平为84.3 dB(A)，隔声罩顶面1 m处测点噪声水平为84.1 dB(A)。总体实现了振动室外墙1 m处噪声量均在85 dB(A)以下，隔声观察室可达到80 (A)以下的设计目标。本研究实施的隔声间和隔声观察室见图4。

图4 隔声罩与隔声观察室实物

4 结束语

通过对北京东六环改造工程管片振动室隔振室噪声研究和应用实践，成功解决了流水机组法管片生产振动噪声大的难题，使操作室内作业人员的噪声暴露符合职业健康要求，实际测量结果为振动室外墙1 m处噪声量均在85 dB(A)以下，隔声观察室可达到80 (A)以下，且无振动和共振，人员能够正常交流，大大提高了作业环境质量。

该噪声控制技术的成功应用，为流水机组法盾构管片生产噪声治理提供了具有实际意义的解决方案，为其他混凝土预制产品生产降噪提供了参考方向。未来随着企业对于作业环境要求的重视程度不断提升，噪声控制技术必将被更多生产单位所推广使用。