陳永敬, 劉臻真, 郭 巖, 王義朋

(1.中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司，北京 102400；2.中安綠創(chuàng)(北京)職業(yè)衛(wèi)生建設(shè)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 102400)

目前盾構(gòu)管片生產(chǎn)主要采用流水機(jī)組法和固定臺(tái)座法兩種生產(chǎn)方式，附著式振動(dòng)器振搗是流水機(jī)組法管片生產(chǎn)常用方法，它通過(guò)振動(dòng)器的工作帶動(dòng)模型振動(dòng)來(lái)完成混凝土的密實(shí)。這種作業(yè)方式生產(chǎn)效率高、施工質(zhì)量穩(wěn)定，普遍被管片生產(chǎn)單位所采用，但相對(duì)于插入式振搗，會(huì)產(chǎn)生更大的振動(dòng)噪聲，特別是對(duì)于大直徑盾構(gòu)管片模具而言，振動(dòng)器附著數(shù)量高達(dá)8個(gè)，振搗過(guò)程中模具附近產(chǎn)生噪聲高達(dá)127 dB(A)。研究前，振動(dòng)室采取砌筑磚墻、粘貼吸聲棉、安裝模具進(jìn)出提升門(mén)等方式進(jìn)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，振動(dòng)區(qū)附近及操作室內(nèi)，噪聲仍然達(dá)到高達(dá)100 dB(A)以上。長(zhǎng)期強(qiáng)噪聲作業(yè)不僅可以干擾工作效率，易造成安全事故的發(fā)生[1-2]，還能對(duì)人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和心腦血管系統(tǒng)造成重要影響[3]。

本文研究依托北京東六環(huán)(京哈高速—潞苑北大街)改造工程盾構(gòu)隧道盾構(gòu)管片施工開(kāi)展，考慮同類(lèi)聲源的頻譜特性和噪聲強(qiáng)度，結(jié)合吸聲、消聲、隔聲以及阻尼減振等方式，通過(guò)合理設(shè)計(jì)使作業(yè)環(huán)境達(dá)到噪聲治理標(biāo)準(zhǔn)。東六環(huán)隧道是目前國(guó)內(nèi)直徑最大的盾構(gòu)隧道，該隧道管片外徑15 400 mm、厚度650 mm、寬度2 000 mm，單塊管片最大重量17.8 t，采用C60高強(qiáng)混凝土預(yù)制，配備8個(gè)高頻振動(dòng)器進(jìn)行振搗。

1 噪聲源識(shí)別

盾構(gòu)管片混凝土振搗工序振動(dòng)包括3個(gè)方面：混凝土料斗的側(cè)面電動(dòng)振動(dòng)器產(chǎn)生的撞擊、振動(dòng)器與管片模具之間的撞擊以及模具與軌道之間的撞擊。撞擊過(guò)程產(chǎn)生的機(jī)械噪聲一部分是振動(dòng)器工作時(shí)直接撞擊產(chǎn)生的，另一部分是撞擊導(dǎo)致管片模板振動(dòng)產(chǎn)生的二次噪聲，此部分噪聲的特性與振動(dòng)臺(tái)工作振動(dòng)頻率振幅及鋼模大小有關(guān)。

同類(lèi)生產(chǎn)線噪聲測(cè)量類(lèi)比數(shù)據(jù)顯示，澆筑振動(dòng)時(shí)，設(shè)備近場(chǎng)噪聲為104.9 dB(A)；混凝土料斗下料時(shí)，設(shè)備近場(chǎng)噪聲為105.5 dB(A)。各噪聲數(shù)據(jù)的頻譜見(jiàn)圖1。

圖1 各級(jí)噪聲頻譜分布

通過(guò)圖1可以看出，噪聲整體呈寬頻特性，聲能量主要集中在中、低頻區(qū)域，并在100 Hz和125 Hz出現(xiàn)峰值，高頻區(qū)域聲能量也不能忽視。由于中、低頻噪聲傳播特性為穿透力強(qiáng)、空氣吸收能力較弱、容易產(chǎn)生繞射等現(xiàn)象，影響范圍很廣，屬于比較難治理的噪聲源。

2 噪聲控制目標(biāo)及原理

2.1 治理目標(biāo)

根據(jù)《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值第2部分：物理因素》(GBZ2.2-2019),對(duì)于生產(chǎn)車(chē)間每周工作5 d、每天工作8 h的工人，穩(wěn)態(tài)噪聲限值為85 dB(A)，非穩(wěn)態(tài)噪聲等效聲級(jí)的限值為85 dB(A)。

結(jié)合(GBZ2.2-2019)和員工的作業(yè)班制情況，最終設(shè)計(jì)目標(biāo)確定為振搗室外1 m處噪聲低于85 dB(A)、操作室內(nèi)噪聲低于80 dB(A)，這樣可以大大提高員工的作業(yè)聲環(huán)境質(zhì)量，減少聲暴露。

2.2 理論依據(jù)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[4-6]，分別采用隔聲、消聲、吸聲和阻尼減振等方式進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)。

2.2.1 隔聲

單層勻質(zhì)構(gòu)件和雙層構(gòu)件隔聲量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式采用公式(1)和公式(2)，無(wú)論是單層結(jié)構(gòu)還是雙層結(jié)構(gòu)，其隔聲特性受到共振和吻合效應(yīng)的影響，通過(guò)設(shè)計(jì)，盡量使隔聲所要求的頻率避開(kāi)共振頻率f0和吻合效應(yīng)頻率fc。

R單=16lgM+14lgf-29

(1)

R雙=16lg[(M1+M2)f]-30+ΔR

(2)

式中：R單、R雙為隔聲量(dB)；M為單層壁單位面積質(zhì)量(kg/m2)；M1和M2為兩個(gè)單層壁單位面積質(zhì)量(kg/m2)；f為入射波頻率(Hz)；ΔR為空氣層附加隔聲量(dB)。

對(duì)于多個(gè)構(gòu)件組成的隔聲墻的組合隔聲量采用公式(3)～公式(5)計(jì)算：

(3)

(4)

(5)

2.2.2 消聲

對(duì)所有的空氣動(dòng)力性噪聲統(tǒng)一采用消聲治理措施，噪聲源采取消聲治理后，要求既要有適宜的消聲量(即聲學(xué)性能)，同時(shí)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行不能有明顯的影響(即良好的空氣動(dòng)力性能)。消聲器是一種既能使噪聲得到有效的衰減又能保證氣流正常通過(guò)的一種設(shè)備。阻性消聲器消聲量參考公式(6)和公式(7)計(jì)算：

(6)

(7)

式中:ΔL為消聲量(dB)；P為消聲器斷面周長(zhǎng)(m)；L消聲器有效長(zhǎng)度(m)；S消聲器通道橫截面積(m2)；α0為法向吸聲系數(shù)。

2.2.3 吸聲

在噪聲源周?chē)O(shè)置隔聲圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)壁面上做必要的吸聲處理(加工機(jī)內(nèi)部)，不但可有效加強(qiáng)隔聲圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔聲量，而且可降低室內(nèi)的混響聲達(dá)3～5 dB(A)，同時(shí)改善操作人員的操作環(huán)境，起到一定的勞動(dòng)保護(hù)作用。房間內(nèi)的平均吸聲系數(shù)按照公式(8)計(jì)算：

(8)

式中:Sn為各面面積(m2)；αn為各面的吸聲系數(shù)。

2.2.4 阻尼減振降噪

通過(guò)運(yùn)用基礎(chǔ)與設(shè)備間安裝的隔振元件由于彈性變形和阻尼的作用、使振動(dòng)能量消耗減小振動(dòng)的傳遞這一原理，減小噪聲。

3 噪聲隔離裝置的設(shè)計(jì)

3.1 總體方案

采用以隔聲為主其他各種綜合治理措施為輔的方案是降低工作場(chǎng)所噪聲強(qiáng)度的重要途徑[7-8]。研究表明，隔聲裝置的隔聲能力取決于其形狀和尺寸、結(jié)構(gòu)剛性、開(kāi)口面積、隔聲材料的隔聲量、罩內(nèi)平均吸聲系數(shù)等多種因素[9]。本研究將振搗室與振搗操作室分開(kāi)，振搗設(shè)備設(shè)計(jì)單獨(dú)的隔聲罩，操作人員在隔聲觀察室操作，以此達(dá)到保護(hù)設(shè)備操作人員和降低該設(shè)備對(duì)整個(gè)車(chē)間聲環(huán)境影響的效果。本研究方案見(jiàn)圖2,左側(cè)為隔聲罩，右側(cè)為隔聲觀察室。

圖2 隔聲裝置設(shè)計(jì)(單位：mm)

為使得相應(yīng)隔聲設(shè)計(jì)能達(dá)成預(yù)期目標(biāo)，在建設(shè)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意到防止縫隙和孔洞漏聲，做好軌道底部與地面的縫隙封堵，門(mén)窗等薄弱處采用粘貼毛氈類(lèi)吸音材料或者軟橡膠條進(jìn)行封堵。

3.1.1 隔聲罩設(shè)計(jì)

振搗設(shè)備隔聲罩的設(shè)計(jì)綜合降噪量R≥25 dB(A)，外形尺寸為9.0 m×6.1 m×3.8 m，隔聲罩墻面采用240 mm磚墻和50 mm厚吸隔聲復(fù)合結(jié)構(gòu)，復(fù)合隔聲量≥52 dB(A)，內(nèi)側(cè)吸聲系數(shù)0.9。隔聲罩管道模具軌道進(jìn)出口分別設(shè)置自動(dòng)隔聲提升門(mén)(2.36 m×2.2 m)，隔聲量≥25 dB(A)；隔聲罩頂部采用100 mm吸隔聲板材，并設(shè)置自動(dòng)推拉門(mén)(2.3 m×2.3 m)，隔聲量≥30 dB(A)，方便混凝土料車(chē)卸料。南側(cè)提升門(mén)墻面設(shè)置一道隔聲量≥35 dB(A)的進(jìn)出隔聲門(mén)(0.8 m×2.0 m)，由于隔聲罩提升門(mén)和自動(dòng)推拉門(mén)開(kāi)合頻繁，不考慮散熱通風(fēng)。

在本研究中為了阻斷振動(dòng)臺(tái)與生產(chǎn)線的連接，隔聲罩底部設(shè)計(jì)了獨(dú)立的振動(dòng)臺(tái)，同時(shí)振動(dòng)臺(tái)上下支架之間設(shè)計(jì)多個(gè)橡膠氣囊，振動(dòng)時(shí)氣囊頂起，減少對(duì)地面的沖擊力。獨(dú)立振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 隔聲罩底部獨(dú)立振動(dòng)臺(tái)

3.1.2 隔聲觀察室設(shè)計(jì)

隔聲觀察室設(shè)計(jì)綜合降噪量R≥30 dB(A)，外形尺寸為9.0 m×2.8 m×2.6 m，觀察室面向振搗設(shè)備面設(shè)置隔聲量≥45 dB(A)的雙道夾膠玻璃作為觀察窗(1.75 m×2.0 m)。南北兩側(cè)設(shè)置兩道隔聲量≥35 dB(A)的進(jìn)出隔聲門(mén)(1.2 m×2.2 m)、照明系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)。本研究中隔聲觀察室由于有人員存在，按照每人新風(fēng)量30 m3/h核算，同時(shí)通風(fēng)口加裝消聲器，消聲量≥20 dB(A)。

3.2 聲學(xué)核算與治理效果評(píng)價(jià)

3.2.1 隔聲罩各墻面隔聲核算

隔聲罩內(nèi)平均吸聲系數(shù)根據(jù)各構(gòu)件的面積和吸聲系數(shù)按照公式(8)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。隔聲罩各墻面實(shí)際隔聲量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 隔聲罩內(nèi)平均吸聲系數(shù)計(jì)算

表2 隔聲罩各墻面隔聲計(jì)算結(jié)果

3.2.2 隔聲觀察室降噪核算

表3 隔聲觀察室平均吸聲系數(shù)計(jì)算結(jié)果

隔聲觀察室內(nèi)設(shè)計(jì)一臺(tái)通風(fēng)口片式消聲器，片間距100 mm，片高度為400 mm，有效長(zhǎng)度為800mm，片吸聲系數(shù)α0為0.8，根據(jù)公式(6)計(jì)算φ(α0)為1.66。當(dāng)α0≥0.6，φ(α0)計(jì)算值遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值，根據(jù)文獻(xiàn)[4]推薦使用經(jīng)驗(yàn)值1.2，再利用公式(6)計(jì)算消聲量為24 dB(A)。

3.3 噪聲控制效果

綜上取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備噪聲值為105 dB(A)。隔聲觀察室內(nèi)觀察窗面隔聲量為32.8 dB(A)，室內(nèi)噪聲計(jì)算值為72.2 dB(A)；隔聲罩提升門(mén)面隔聲量為23.1 dB(A)，設(shè)備外噪聲計(jì)算值為81.9 dB(A)；隔聲罩頂面隔聲量為22.9 dB(A)，頂面外噪聲計(jì)算值為82.1 dB(A)，經(jīng)計(jì)算噪聲設(shè)計(jì)能達(dá)到預(yù)期要求。

該項(xiàng)目進(jìn)行工程實(shí)施后，隔聲罩內(nèi)測(cè)試噪聲水平為108 dB(A)，隔聲觀察室內(nèi)噪聲水平為76 dB(A)。隔聲罩提升門(mén)1 m測(cè)點(diǎn)噪聲水平為84.3 dB(A)，隔聲罩頂面1 m處測(cè)點(diǎn)噪聲水平為84.1 dB(A)。總體實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)室外墻1 m處噪聲量均在85 dB(A)以下，隔聲觀察室可達(dá)到80 (A)以下的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本研究實(shí)施的隔聲間和隔聲觀察室見(jiàn)圖4。

圖4 隔聲罩與隔聲觀察室實(shí)物

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)北京東六環(huán)改造工程管片振動(dòng)室隔振室噪聲研究和應(yīng)用實(shí)踐，成功解決了流水機(jī)組法管片生產(chǎn)振動(dòng)噪聲大的難題，使操作室內(nèi)作業(yè)人員的噪聲暴露符合職業(yè)健康要求，實(shí)際測(cè)量結(jié)果為振動(dòng)室外墻1 m處噪聲量均在85 dB(A)以下，隔聲觀察室可達(dá)到80 (A)以下，且無(wú)振動(dòng)和共振，人員能夠正常交流，大大提高了作業(yè)環(huán)境質(zhì)量。

該噪聲控制技術(shù)的成功應(yīng)用，為流水機(jī)組法盾構(gòu)管片生產(chǎn)噪聲治理提供了具有實(shí)際意義的解決方案，為其他混凝土預(yù)制產(chǎn)品生產(chǎn)降噪提供了參考方向。未來(lái)隨著企業(yè)對(duì)于作業(yè)環(huán)境要求的重視程度不斷提升，噪聲控制技術(shù)必將被更多生產(chǎn)單位所推廣使用。