摘要：在跨海橋梁、海上風(fēng)電等工程中，水下打樁是一種常見的作業(yè)方式，其產(chǎn)生的水下噪聲對海洋生態(tài)環(huán)境的影響越來越受到關(guān)注。文章基于寧上高速東吾洋特跨海大橋打樁施工現(xiàn)場的實測水下噪聲數(shù)據(jù)，分析了水下沖擊打樁噪聲的時頻特性，其聲源在時域表現(xiàn)為脈沖信號，峰值聲壓級可達(dá)240dB以上，頻率主要集中在10～1000Hz頻段，這與近海鯨類動物和聲敏感魚類的聽力頻段有部分重疊。基于水下打樁噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，探討了控制水下打樁噪聲的多種控制措施和降噪技術(shù)，包括選用低噪聲設(shè)備、改變打樁參數(shù)、氣泡帷幕及噪聲屏障等，并結(jié)合施工環(huán)境逐一分析了可行性。

關(guān)鍵詞：水下打樁噪聲;噪聲特性;噪聲控制;跨海橋梁工程

中圖分類號：X55 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-9857（2024）05-0138-08

0 引言

隨著海洋工程建設(shè)的不斷發(fā)展，水下打樁技術(shù)被廣泛應(yīng)用于海洋基礎(chǔ)工程中，如橋梁、碼頭、海上風(fēng)電等。然而，水下打樁過程中產(chǎn)生的噪聲污染成為一個嚴(yán)重的問題。水下打樁過程中會產(chǎn)生高強(qiáng)度的聲壓并輻射至水中，對海洋生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，包括魚類生態(tài)系統(tǒng)、海洋哺乳動物和無脊椎動物等。同時，水下打樁噪聲還會對附近的居民和漁業(yè)造成干擾和影響。為了保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境和維護(hù)人類利益，控制水下打樁噪聲污染已成為海洋工程領(lǐng)域的一個重要研究方向，以及社會關(guān)注的焦點問題。

水下打樁是指在水下使用打樁機(jī)將鋼筋混凝土或者木材等材料的樁子打入海底或者河床的一種建筑施工方式，包括沖擊打樁，振動打樁和靜壓沉樁等。實際工作中，多數(shù)打樁工程都是使用沖擊打樁安裝的，這種安裝方式會產(chǎn)生巨大的噪聲，對海洋生物有嚴(yán)重的潛在危害，尤其是對海豚和聲敏感魚類[1-4]。近幾年，隨著海上工程的增加，我國沿海已引發(fā)多起因水下噪聲造成工程周邊養(yǎng)殖戶損失，近而阻礙施工開展的社會性事件。為了減輕危害，部分歐美國家的監(jiān)管機(jī)構(gòu)已對水下打樁噪聲的聲源級做出限制，如德國監(jiān)管機(jī)構(gòu)航海和水文繪制聯(lián)邦統(tǒng)計局（BSH）設(shè)定了以下限值：在距離施工現(xiàn)場750m 的范圍[5-7]，必須滿足：①聲暴露級（SEL）不大于160 dBre1 μPa2s;② 峰值聲壓水平（SPLPeak）不大于190dBre1μPa。

這一標(biāo)準(zhǔn)已被部分國家沿用，這使得在國外的一些工程中，必須采用噪聲控制系統(tǒng)（noisemitigationsystems，NMS）。而國內(nèi)目前尚無相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，噪聲控制系統(tǒng)的研究尚未開展，噪聲限值也只在一些工程中被作為參考。

已有研究和測量結(jié)果表明[8-9]，水下打樁噪聲的強(qiáng)度主要取決于樁的直徑和打樁的能量。因此，一些學(xué)者提出通過改變打樁參數(shù)、選用低噪聲設(shè)備或采用降噪措施來影響聲源、傳播路徑，最終減少水下打樁噪聲。但多數(shù)降噪方案存在工程量大、經(jīng)濟(jì)花費過大等缺點而難以實施。本文基于實測沖擊打樁的水下噪聲數(shù)據(jù)以及養(yǎng)殖區(qū)大黃魚的觀測數(shù)據(jù)，分析了水下沖擊打樁噪聲特性以及對養(yǎng)殖大黃魚的影響，最后探討了目前主流的水下打樁噪聲控制措施及其可行性。研究成果以期能為水下打樁噪聲控制提供科學(xué)的參考和依據(jù)，為我國海洋工程建設(shè)與海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)共贏提供切實可行的技術(shù)支撐。

1 水下打樁噪聲及其特性分析

1.1 水下打樁噪聲現(xiàn)場測量實驗

2022年4月，在福建霞浦海域?qū)|吳洋特大橋樁基打樁施工產(chǎn)生的水下噪聲進(jìn)行了現(xiàn)場測量，同時記錄了附近養(yǎng)殖大黃魚的行為反應(yīng)。工程采用的鋼管樁柱直徑2.5m，打樁方式采用沖擊式打樁。施工海域水深40～60m，打樁點位平均水深約55m。測量采用的水聽器為中國科學(xué)院聲學(xué)研究所自主研發(fā)的低功率水下聲學(xué)記錄儀（USR2000，IOACAS），布放深度為水下5m，采樣率設(shè)置48kHz，靈敏度-220dBre1V/μPa。噪聲監(jiān)測點設(shè)置在海上養(yǎng)殖漁排上，距打樁點約600m。

1.2 噪聲特性分析

水下打樁主要利用樁錘對樁體的頂端（樁頭）施加一定的沖擊能量，克服土體對樁體的阻力，使樁體下沉，通過反復(fù)沖擊樁頭，使樁體不斷下沉至既定位置。因此，打樁噪聲的特點為高聲源級，單次沖擊表現(xiàn)為脈沖式寬頻波形（時長0.2～0.3s，頻帶10～1000Hz），而對于一根樁體需要多次沖擊才能完成作業(yè)，因此表現(xiàn)為連續(xù)多個脈沖的脈沖串，它的頻率和聲源級則與樁體的材料、直徑等有關(guān)[8]。

對于沖擊打樁的聲信號強(qiáng)度，可以用峰值聲壓級（SPLpeak）和聲暴露級（SEL）來表征，分別表示脈沖信號的最大峰值壓力和持續(xù)時間內(nèi)的總能量。由以下公式給出：

式中：p 為聲壓;pref 為參考聲壓值（等于1μPa）;tref為參考時間值（等于1s）。式（2）中t1 和t2 分別為單次曝光持續(xù)時間的起點和終點。持續(xù)時間以累積信號能量超過總信號能量的5% 的時間為界，當(dāng)脈沖信號達(dá)到95% 時結(jié)束[4]。

600m 距離測量點采集到的水下打樁噪聲的時域和頻域特征如圖1所示。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析可知，在測量點接收到的峰值聲壓級和聲暴露級的平均值分別為180.7±1.2dB和155.8 ± 1.2dB。結(jié)合傳播距離和傳播損失推算出打樁處聲源的峰值聲壓級均值高達(dá)242dB。

2 水下打樁噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和傳播路徑

要控制或降低水下噪聲，需要了解水下打樁噪聲產(chǎn)生和傳輸機(jī)理。在打樁過程中，有多個過程會產(chǎn)生噪聲，對樁頭施加的沖擊能量將轉(zhuǎn)換成不同形式的能量，主要的形式有熱能、樁體的動能、振動波的能量等。因此，水下打樁的噪聲源一般包括樁體和海底，其中樁頭是主要的聲源。樁在水下振動時會產(chǎn)生一系列的壓力波，這些壓力波在水中傳播，形成水下打樁噪聲。同時，打樁活動還會產(chǎn)生較大的渦流和氣泡噪聲，海底也會成為聲源，特別是在軟土或泥沙底質(zhì)中，樁的振動會使海底沉積物產(chǎn)生振動，形成次生噪聲。此外，海底地形的不規(guī)則性和不均勻性也會對水下打樁噪聲的傳播和衰減產(chǎn)生影響。噪聲傳播路徑主要有海水和海底，且一般經(jīng)過多次海面、海底反射，如圖2所示。因此，控制噪聲的措施可以分為兩個類型：一是降低產(chǎn)生噪聲的源級;另一種是處理噪聲從聲源到接收端的傳輸路徑，增加噪聲的衰減。

3 水下打樁噪聲控制措施和降噪技術(shù)的探討

基于水下打樁噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和傳播路徑，目前常使用的控制方法包括采用低噪聲設(shè)備、改變打樁參數(shù)或采用降噪技術(shù)，對不同方法的研究和驗證一般以仿真模型為主[10-12]。結(jié)合本文打樁工程的實際環(huán)境情況對各種方法開展分析。

3.1 選用低噪聲設(shè)備

選用低噪聲設(shè)備和工藝是控制水下打樁噪聲的重要方法之一。低噪聲設(shè)備一般是指具有噪聲低、振動小等特點的設(shè)備。在水下打樁作業(yè)中，一些傳統(tǒng)的沖擊打樁設(shè)備，如鋼錘、沖擊鉆等，都具有較高的噪聲水平。為了控制水下打樁噪聲，可以采用一些低噪聲設(shè)備來替代傳統(tǒng)的打樁設(shè)備。目前，已有一些低噪聲打樁設(shè)備被開發(fā)出來，并在實際工程中得到應(yīng)用。例如，液壓打樁機(jī)、靜壓樁機(jī)、振動打樁機(jī)（圖3）等，這些設(shè)備具有噪聲低、振動小、效率高等特點，如振動沉樁其原理是使用旋轉(zhuǎn)偏心塊對樁施加交變力，使樁體產(chǎn)生振動，通過振動將樁周土體液化，減小側(cè)摩阻力，從而使樁體沉入地下。這些設(shè)備可以有效地減少水下打樁噪聲。實踐表明，采用低噪聲設(shè)備可以將水下打樁噪聲降低20dB以上。

可行性分析：針對本工程，在滿足設(shè)備條件時，是可行的替代方案，可考慮采用“大型浮吊+振動錘”，并配合固定導(dǎo)向架的方式進(jìn)行鋼護(hù)筒插打作業(yè)。但應(yīng)該注意，選用低噪聲設(shè)備的成本較高，可能需要大量的前期準(zhǔn)備和投入。此外，低噪聲設(shè)備的性能也可能受到一些限制，如打樁速度、打樁效率等，因此需要在實際操作中進(jìn)行綜合考慮。

3.2 改變打樁參數(shù)

改變打樁參數(shù)也是控制水下打樁噪聲的有效方法之一。在水下打樁作業(yè)中，可以通過調(diào)整打樁參數(shù)來減少水下噪聲。打樁參數(shù)包括打擊能量、打擊頻率、打樁深度等。例如，可以降低打擊能量和打擊頻率，來減少沖擊聲和振動噪聲。同時，減小打樁深度和打樁力度也可以減少水下打樁噪聲的能量。此外，可以嘗試采用深海打樁技術(shù)，將打樁深度調(diào)整到較深的水下環(huán)境中，來減少噪聲的頻率、打樁深度、打樁力度等。

可行性分析：改變打樁參數(shù)和打樁環(huán)境可以有效控制水下打樁噪聲的強(qiáng)度，但可能會影響打樁效率和施工質(zhì)量，打樁設(shè)備的工作流程相對固定，臨時更改無法保證設(shè)備的正常工作，因此需要在實際操作中進(jìn)行綜合考慮。

3.3 采用降噪技術(shù)

上述兩種方法從原理上屬于降低噪聲源級，雖然能有效降低噪聲，但需要大幅增加成本，或是以降低打樁效率為代價，這在實際應(yīng)用中往往難以被接受。因此，采用降噪技術(shù)增加噪聲傳播的衰減也是控制水下打樁噪聲的重要方法之一。降噪技術(shù)是指在不影響打樁機(jī)正常工作的情況下，采用吸聲材料、隔聲屏等措施來增加噪聲在傳播路徑上的聲傳播損失。常見的降噪技術(shù)一般包括以下幾種。

（1）氣泡帷幕：氣泡帷幕是一種由氣泡形成的帶狀障礙物，可以有效減少從水下樁體表面反射的噪聲。聲音衰減主要由氣泡的散射引起，因此實際阻擋效果與氣泡大小、分布和數(shù)量有關(guān)。實際操作中，通過在海床面設(shè)置開有大量小孔的管道，使用空氣壓縮機(jī)向其中通入高壓空氣，空氣通過管道上的小孔上升形成氣泡帷幕（圖4）。由于空氣和水的聲學(xué)阻抗有很大的不同，當(dāng)聲波傳播通過氣泡帷幕時，會得到削弱，從而起到降噪作用。由于氣泡帷幕相比其他方法更加環(huán)保、適應(yīng)性廣泛、布放便利，因此受到工程方和研究學(xué)者的重視，已開展較多相關(guān)研究[13-16]。

可行性分析：氣泡帷幕的形成會受到海流和水深的影響，在不同海流和水深下降噪效果不同。實施的困難在于避免氣泡上升過程中由于漂移引起的泄漏，尤其是潮汐流的影響。使用氣泡帷幕可以減少5dB以上的噪聲水平。本工程地點東吾洋特大橋橋址處水深較深，最深達(dá)63m，且最大水流流速達(dá)2.0m/s，而氣泡的上升速度通常僅為0.3m/s[14]。在這種水深、海流等綜合的條件下，氣泡從海床面上升至水面的過程中，將會被海流沖散，無法形成完整的氣泡帷幕，不能有效發(fā)揮降噪作用。

（2）隔聲屏障：在水下樁體周圍建造隔聲屏障可以極大地影響打樁噪聲的傳播。常見的隔聲屏包括鋼套管、圍堰等，樁體被隔聲屏包圍，并抽除其中的海水（圖5）。屏與樁體間由聲阻抗不同于介質(zhì)的材料填充，最佳填充材料是空氣（或任何其他氣體）。

可行性分析：采用這種降噪措施后，基本隔絕了聲波直接通過海水傳播，海底成為傳播的唯一途徑，這將大大降低海水中的聲壓強(qiáng)度。研究表明使用隔聲屏并抽除海水可以減少30分貝以上的噪聲水平，是目前最有效的降噪技術(shù)。該方法原理簡單，但樁套的安裝和拆卸難以融入海上作業(yè)程序，在較深的海域海水抽除也難以實現(xiàn)。本例中施工區(qū)域處水深較深，最深達(dá)63m，隔音套管必須打設(shè)進(jìn)入穩(wěn)定土層足夠的深度，方可保證自身的安全穩(wěn)定。隔音鋼管需要提前打設(shè)到位，并在永久鋼護(hù)筒打設(shè)完成后拔除，因此，打設(shè)1根永久鋼護(hù)筒需要打樁2次，拔樁1次。對于這種方法，不但隔音套管打設(shè)時產(chǎn)生的噪聲無法避免，而且會大大增加施工工期。

（3）水下吸聲材料：通過在水下樁基表層覆蓋吸聲材料，可以減少從樁體表面反射的噪聲，常用的吸聲材料如泡沫塑料、橡膠等。如在鋼護(hù)筒外側(cè)通長包裹吸音材料（如玄武巖纖維布），這種材料不但會阻隔部分聲波傳播，還會約束鋼護(hù)筒徑向膨脹，從而減弱對海水產(chǎn)生的沖擊波。目前通過布設(shè)水聲阻尼網(wǎng)取代表面材料（圖6），網(wǎng)里有充氣的彈性氣球和具有高耗散效果的特殊聚乙烯泡沫元件的方案較具有應(yīng)用前景。

可行性分析：由于在鋼護(hù)筒外側(cè)包裹了吸音材料，改變了鋼護(hù)筒外側(cè)的材料，這樣將改變樁與土體的摩擦力，降低鋼護(hù)筒的承載能力。此外，由于存在共振現(xiàn)象，該方法效果也不明確。水聲阻尼網(wǎng)相比其他方案具有成本低、易于實現(xiàn)、不受潮汐影響的優(yōu)勢，如與其他方案聯(lián)合使用，可以取得更好的效果。

（4）采用噪聲屏蔽器。噪聲屏蔽器的原理與降噪耳機(jī)相似，可在水下打樁時產(chǎn)生相位相反的聲波，與原始聲波相消，從而降低噪聲的水平。

可行性分析：該方法實施難度偏高，目前還處于理論研究階段，沒有成熟的技術(shù)和設(shè)備。

4 總結(jié)和討論

水下打樁產(chǎn)生的噪聲已經(jīng)對海洋環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧┙档驮肼暦浅１匾?，相關(guān)部門未來可能效仿歐美國家出臺相關(guān)的限制標(biāo)準(zhǔn)，不滿足噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)的工程一律不準(zhǔn)施工，因此開展相關(guān)前期研究非常必要。本文的工作主要分為以下兩個部分。

（1）開展現(xiàn)場測量實驗采集了水下沖擊打樁的噪聲數(shù)據(jù)，并對采集到的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，分析了水下沖擊打樁噪聲的聲特性，主要有：①高聲壓級，水下打樁機(jī)每次撞擊時，都會產(chǎn)生脈沖信號，其峰值聲壓級高達(dá)240dB以上;②寬頻帶，水下打樁噪聲的頻率范圍很寬，主要能量的頻率范圍在10Hz～1kHz，這與多數(shù)海洋哺乳動物和聲敏感魚類的聽力曲線重疊，將對大部分魚類和多數(shù)水生生物的聽覺系統(tǒng)造成潛在影響;③次數(shù)多、持續(xù)時間長，在施工過程中，水下打樁機(jī)根據(jù)土壤特性和所需樁的滲透深度，打樁頻率、持續(xù)時間都不相同，總的打擊次數(shù)從幾百到數(shù)千不等，因此需要持續(xù)不斷地進(jìn)行打樁作業(yè)，產(chǎn)生的噪聲持續(xù)時間很長。因此不僅需要關(guān)注峰值聲壓級，也應(yīng)關(guān)注累積聲暴露級;④難以預(yù)測性，水下打樁噪聲隨打樁深度、樁的直徑、樁長、樁體材質(zhì)以及土壤環(huán)境等因素的變化而變化，因此往往難以精確預(yù)測。

（2）探討了多種噪聲控制措施和降噪技術(shù)的方法和可行性，包括采用低噪聲設(shè)備、改變打樁參數(shù)、布置氣泡帷幕、設(shè)立隔聲屏障、使用吸聲材料以及噪聲屏蔽器等，以及多種手段的組合。對于上述措施和技術(shù)，都有其獨特的優(yōu)點和不足，實際工程中應(yīng)采用何種降噪措施和技術(shù)，應(yīng)考慮其具體效果、施工環(huán)境和工程目標(biāo)。如本文例子中，施工環(huán)境具有水深（最深處63 m）、流速大（大于2 m/s）的特點，對氣泡帷幕、噪聲屏障等控制措施都有極大限制。綜合考慮，采用振動沉樁的降噪措施可能是最適合該海域的噪聲控制方法。另外，目前尚無法開展各種噪聲控制措施和技術(shù)的實驗以驗證其實施效果，只能通過實驗室仿真的手段進(jìn)行模擬。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目（41976175）;國家重點研發(fā)計劃（2022YFC2804003）;廈門市海洋與漁業(yè)發(fā)展專項資金青年科技創(chuàng)新項目（23ZHZB049QCB35）.