張俊麗ZHANG Jun-li

（蘇州市環(huán)科環(huán)保技術(shù)發(fā)展有限公司，蘇州 215100）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，隧道建設(shè)也迎來(lái)了大規(guī)模的發(fā)展[1-3]。在隧道施工過(guò)程中，尤其是鐵路隧道施工，會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的影響[4-5]，比如土地資源破壞、水土流失、噪聲污染、空氣污染等。其中，噪聲污染被認(rèn)為是鐵路隧道內(nèi)最嚴(yán)重的污染之一。噪聲不僅會(huì)使人的聽(tīng)力損失，健康也會(huì)受到威脅。隧道洞內(nèi)同一工序的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)以及多種工序的交叉作業(yè)，使得作業(yè)人員長(zhǎng)時(shí)間暴露在高強(qiáng)度的噪聲環(huán)境中。有研究表明，當(dāng)噪聲達(dá)到140dB 時(shí)，會(huì)對(duì)聽(tīng)力產(chǎn)生永久性的損傷，除此之外，噪聲對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、心理方面、視覺(jué)器官、心血管系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、以及消化、免疫系統(tǒng)均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響[6]。由于隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，在運(yùn)營(yíng)期間高速列車進(jìn)洞產(chǎn)生的噪聲影響乘客的舒適感，并嚴(yán)重干擾隧道口旁民眾的生產(chǎn)和生活。因此，鐵路隧道噪聲的治理已成為隧道工程中亟需解決的問(wèn)題。

高昕[6]闡述了噪聲對(duì)人體產(chǎn)生的危害，總結(jié)了隧道施工時(shí)洞內(nèi)噪聲的主要來(lái)源，將噪聲進(jìn)行了等級(jí)劃分，最后提出了隧道降噪施工的具體方案以及降低隧道噪聲的有效措施；馬世偉等[7]總結(jié)了鐵路隧道各種工序作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的主要危害源，發(fā)現(xiàn)鉆孔、爆破、噴射混凝土等工序產(chǎn)生的噪聲強(qiáng)度超過(guò)國(guó)家的限值，認(rèn)為下一步應(yīng)嚴(yán)格控制隧道職業(yè)病危害，加強(qiáng)個(gè)體防護(hù)和職業(yè)健康體檢，并開(kāi)展適用于隧道降噪的技術(shù)科學(xué)研究；周健[8]依托某特長(zhǎng)公路隧道工程，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的手段對(duì)鉆爆法隧道內(nèi)各個(gè)工序施工期間產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行了測(cè)試，分析了噪聲在隧道內(nèi)的傳播規(guī)律以及危害范圍，最后提出相應(yīng)措施，保證了隧道內(nèi)施工人員的安全；敖翔[9]認(rèn)為鐵路隧道施工會(huì)造成植被污染、水體污染、空氣污染和噪聲污染，并提出了針對(duì)以上問(wèn)題的治理措施；王武剛[10]通過(guò)光面爆破、控制用藥量、使用電子數(shù)碼雷管的微差爆破等措施，對(duì)控制洞內(nèi)爆破產(chǎn)生的震動(dòng)和噪聲具有良好的效果。

基于此，本文歸納總結(jié)鐵路隧道施工過(guò)程中和后期運(yùn)營(yíng)時(shí)產(chǎn)生噪聲的主要原因，對(duì)洞內(nèi)鉆孔、通風(fēng)、找頂?shù)仁┕すば虍a(chǎn)生噪聲的強(qiáng)度及其影響范圍，以及后期運(yùn)營(yíng)時(shí)高速列車進(jìn)洞時(shí)產(chǎn)生的微氣壓波進(jìn)行了分析，并根據(jù)以上問(wèn)題提出了針對(duì)性措施，以期為今后鐵路隧道噪聲治理提供一定的參考和借鑒。

1 鐵路隧道噪聲產(chǎn)生原因

在礦山法隧道施工中，隧道不同里程位置處于不同的施工階段，同一工序的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作業(yè)或同一時(shí)間段內(nèi)多種工序交叉作業(yè)會(huì)在隧道內(nèi)產(chǎn)生較大的噪聲。經(jīng)過(guò)分析可知，隧道施工期間產(chǎn)生噪聲的工序主要包括鉆孔、爆破、出渣以及洞內(nèi)通風(fēng)等。在隧道建成后高速列車進(jìn)洞時(shí)由于微氣壓波的存在也會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。同露天相比，由于隧道屬于半密閉空間，洞內(nèi)噪聲持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度大，且完全消散需要較長(zhǎng)時(shí)間，在相同條件下隧道噪聲會(huì)使人的反應(yīng)更為強(qiáng)烈，不僅危害工作人員的身心健康，還嚴(yán)重影響著附近居民的日常起居。噪聲產(chǎn)生原因如圖1 所示，隧道施工不同場(chǎng)景相關(guān)聲級(jí)如表1 所示。

表1 隧道施工不同場(chǎng)景相關(guān)聲級(jí)

圖1 噪聲產(chǎn)生原因

1.1 鉆孔

超前小導(dǎo)管注漿、安裝鎖腳錨桿、爆破時(shí)安裝炸藥等工序均需要進(jìn)行鉆孔作業(yè)，主要分為人工鉆孔和機(jī)械鉆孔，鉆孔時(shí)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以及機(jī)械與作業(yè)面的摩擦?xí)a(chǎn)生較大的噪聲，是隧道內(nèi)噪聲的主要來(lái)源之一。

1.2 爆破

爆破開(kāi)挖是目前礦山法隧道施工最常見(jiàn)方法之一，由表1 可知，爆破產(chǎn)生的噪聲要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他情況，其最顯著特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度大。在爆破過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊波，并且如果炸藥單耗、單孔裝藥量和一次起爆總藥量過(guò)大，爆破設(shè)計(jì)參數(shù)不合理或者爆破的時(shí)間和順序控制不當(dāng)?shù)仍?，?huì)使爆炸產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)和聲波疊加，對(duì)圍巖有較大的擾動(dòng)，并產(chǎn)生脈沖型高噪聲，對(duì)隧道內(nèi)作業(yè)人員的危害較大。

1.3 通風(fēng)

隧道爆破開(kāi)挖和后期投入使用階段洞內(nèi)均會(huì)產(chǎn)生較高濃度的污染物，如果無(wú)法及時(shí)的排出洞外，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，因此需要布置通風(fēng)機(jī)進(jìn)行洞內(nèi)外空氣交換，為隧道內(nèi)提供新鮮空氣。隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)類型主要包括軸流式風(fēng)機(jī)、射流式風(fēng)機(jī)和離心式風(fēng)機(jī)，由于通風(fēng)量、流量大、轉(zhuǎn)速高，所需的風(fēng)機(jī)功率大，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲會(huì)很大。風(fēng)機(jī)噪聲主要有電機(jī)噪聲、葉輪噪聲和氣流噪聲三部分，其中電機(jī)噪聲和葉輪噪聲都由風(fēng)機(jī)本體產(chǎn)生，而氣流噪聲主要產(chǎn)生于風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)口。

1.4 出碴

隧道爆破產(chǎn)生的廢渣需要盡快運(yùn)輸?shù)蕉赐庵付ǖ攸c(diǎn)以免占用洞內(nèi)空間，出渣時(shí)需要裝載機(jī)、挖掘機(jī)和自卸車配合使用。機(jī)械過(guò)載、相鄰間距過(guò)近以及車輛運(yùn)輸過(guò)程中的急剎車、鳴笛、超速等均會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。

1.5 找頂

找頂是在爆破完成后和初期支護(hù)施作前，對(duì)隧道頂部的危巖進(jìn)行處理，以保證掌子面附近施工人員的安全。找頂排險(xiǎn)作業(yè)使用的主要機(jī)械為履帶式挖掘機(jī)，在找頂過(guò)程中機(jī)械與作業(yè)面的摩擦、碰撞、石塊破碎以及危石的脫落會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲。

1.6 微氣壓波

隧道屬于管狀半封閉的長(zhǎng)空間結(jié)構(gòu)，不利于聲場(chǎng)的擴(kuò)散衰減。當(dāng)高速列車進(jìn)入隧道時(shí)，列車前方會(huì)產(chǎn)生壓縮波，列車后方形成膨脹波。壓縮波沿著隧道向前傳播，在隧道出口處壓縮波的一部分向進(jìn)口反射成為膨脹波，同時(shí)另一部分會(huì)以脈沖波的形式從隧道出口向周圍輻射，此脈沖波被稱為微氣壓波。壓縮波、膨脹波、微氣壓波均以聲速傳播。微氣壓波的存在不僅影響乘客的舒適度，使乘客產(chǎn)生耳鳴頭暈的癥狀，而且破壞隧道沿線周圍的環(huán)境。特別是當(dāng)隧道出入口在城區(qū)附近時(shí)，列車進(jìn)出隧道所產(chǎn)生的微氣壓波對(duì)周圍環(huán)境的影響將更為明顯。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，對(duì)隧道施工期間鉆孔、通風(fēng)和找頂時(shí)洞內(nèi)產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行分析，如圖2 所示。由圖可知，人工鉆孔、機(jī)械鉆孔、無(wú)障礙找頂作業(yè)以及軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)四種情況下，隧道洞內(nèi)均產(chǎn)生了較大的噪聲。四種情況下，在噪聲源處產(chǎn)生的噪聲分別為114dB、103dB、94dB 和88dB，隨著遠(yuǎn)離噪聲源，噪聲逐漸減小。人工鉆孔產(chǎn)生的噪聲最大，在距離噪聲源175m 處仍有86dB 的噪聲，機(jī)械鉆孔次之，在距離噪聲源100m 處噪聲低于85dB。軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲源附近噪聲小，但隨著遠(yuǎn)離噪聲源，噪聲的衰減程度較小，而無(wú)障礙找頂時(shí)噪聲源附近噪聲大于軸流風(fēng)機(jī)，但隨著距離增大，噪聲快速減小，兩者分別在遠(yuǎn)離噪聲源85m 和60m 處噪聲低于危險(xiǎn)臨界值85dB。

圖2 不同施工工序產(chǎn)生的噪聲

2 鐵路隧道噪聲的治理措施

由調(diào)查數(shù)據(jù)顯示[6]，某隧道工程施工單位中受噪聲影響導(dǎo)致聽(tīng)力下降的人員占比24．3%，噪聲污染已經(jīng)被列入了勞保及環(huán)保項(xiàng)目。因此，控制隧道內(nèi)噪聲污染，減輕對(duì)作業(yè)人員的危害以及生態(tài)環(huán)境的影響，具有十分重要的作用。

2.1 新型降噪設(shè)備的使用與研發(fā)

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲高出進(jìn)口設(shè)備約10dB 的強(qiáng)度，舊設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲高于新設(shè)備約5dB 的強(qiáng)度。在洞內(nèi)連續(xù)施工作業(yè)中，所用機(jī)械的噪聲應(yīng)當(dāng)?shù)?5dB[6]，而根據(jù)第二章分析可知，采用人工鉆孔、機(jī)械鉆孔、找頂作業(yè)以及軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，在距離噪聲源50m外噪聲仍高于危險(xiǎn)臨界值85dB。因此，為了降低噪聲強(qiáng)度，可從施工機(jī)械方面著手，從根源上降低噪聲強(qiáng)度。

在施工機(jī)械選型時(shí)，應(yīng)選擇性能優(yōu)良、類型適當(dāng)?shù)墓こ虣C(jī)械，防止機(jī)械超限；實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)械操作規(guī)程操作機(jī)械，避免出現(xiàn)操作失誤，減小機(jī)械噪聲；定期對(duì)施工機(jī)械實(shí)施維修、保養(yǎng)，確保機(jī)械處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，降低機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲；開(kāi)展低噪聲機(jī)械的研發(fā)，并應(yīng)將噪聲性能作為購(gòu)置施工設(shè)備的重要參考指標(biāo)。

2.2 爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)爆破產(chǎn)生的沖擊波以及噪聲，從根源上進(jìn)行解決，進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)的優(yōu)化?？刂普ㄋ巻魏?、單孔裝藥量和一次起爆總藥量，合理布置炸藥孔間距，盡量選擇乳化炸藥和低密度炸藥裝填掘進(jìn)眼和槽眼，確保填塞質(zhì)量和長(zhǎng)度，周邊眼應(yīng)當(dāng)以低速爆破；采用微差爆破技術(shù)，實(shí)施多段毫秒延期爆破，嚴(yán)格控制爆破的時(shí)間和順序，減少爆炸疊加。大量的工程實(shí)踐已經(jīng)證實(shí)，選擇相鄰兩段爆破間隔的非電毫秒雷管應(yīng)保持50ms 的爆破間距[6]，此時(shí)爆破產(chǎn)生的振動(dòng)波強(qiáng)度降低，在保證爆破效果的同時(shí)，對(duì)于噪聲的控制有很好的效果。

2.3 噪聲隔離技術(shù)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)置必要的吸聲隔聲裝置，以有效降低噪聲污染。對(duì)隧道使用高密度聚乙烯隔音板進(jìn)行噪聲隔離。這種隔音板具有較好的吸聲效果，可以有效地降低噪聲傳播。在施工期間以及列車進(jìn)洞期間，隔音板被放置在鐵路兩側(cè)，形成了一個(gè)屏障，遮擋了噪聲，如圖3所示。

圖3 鐵路隧道兩側(cè)隔音板

對(duì)于爆破時(shí)產(chǎn)生的沖擊波，可選用若干阻尼和擋板單元組成的裝置[10]，其中阻尼裝置由阻尼棉簾加隔音高壓水簾相互配合組成，阻尼棉簾與隔音高壓水簾交錯(cuò)布置，并沿隧道縱向于洞口段范圍全斷面布置，該裝置可起到阻隔爆破飛石以及阻隔、緩沖爆破沖擊波的目的，阻尼裝置如圖4 所示。

圖4 阻尼裝置示意

2.4 防護(hù)工具的使用

加強(qiáng)對(duì)施工作業(yè)人員安全培訓(xùn)，提高自身防范意識(shí)。向從事隧道內(nèi)施工的人員進(jìn)行防護(hù)品的發(fā)放，掌握防噪設(shè)施的佩戴方式，通過(guò)使用聽(tīng)力防護(hù)設(shè)施以減少耳部以及聽(tīng)力所受噪聲損傷，盡量避免因噪聲而導(dǎo)致職業(yè)病的發(fā)生。具體施工中，常用的功效較好的有耳罩、耳塞等防噪用品，結(jié)合隧道施工實(shí)際狀況，海綿耳塞可將噪聲由40dB 降至30dB，能將高頻噪聲很好地隔離，噪聲防護(hù)效果顯著。

2.5 隧道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為消除微氣壓波引起的音爆現(xiàn)象，目前可采用喇叭型洞口、隧道壁開(kāi)孔、增大孔徑減小隧道阻塞比等方案[11-13]，其中，采用喇叭型洞口是目前消除微氣壓波最簡(jiǎn)單、最有效和使用最多的方法。高速鐵路隧道在隧道入口處設(shè)置緩沖段，使隧道口徑逐步變化，越是接近隧道口，隧道口徑越大，呈現(xiàn)喇叭形，并利用隧道中的分支坑道分流空氣壓縮波，起到緩沖作用，從而使壓力波變化緩慢，如圖5 所示。

圖5 喇叭狀隧道口

3 結(jié)論

本文歸納總結(jié)了鐵路隧道施工期間以及運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生噪聲的原因，分析了隧道鉆孔、通風(fēng)、找頂?shù)仁┕すば虍a(chǎn)生噪聲的強(qiáng)度及其影響范圍，得到如下結(jié)論：①人工鉆孔的方式產(chǎn)生的噪聲最大，且影響范圍最遠(yuǎn)，建議采用機(jī)械式鉆孔，盡量減少作業(yè)面施工人員。采用最先進(jìn)的施工設(shè)備和技術(shù)來(lái)減少噪聲污染，提高施工效率及安全性。開(kāi)展低噪聲機(jī)械的研發(fā)，并應(yīng)將噪聲性能作為購(gòu)置施工設(shè)備的重要參考指標(biāo)。②對(duì)于鐵路隧道施工時(shí)產(chǎn)生的噪聲，應(yīng)采取爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化、設(shè)置吸聲隔聲裝置等措施，并強(qiáng)制洞內(nèi)作業(yè)人員進(jìn)行防噪設(shè)施的佩戴，加強(qiáng)安全培訓(xùn)，提高作業(yè)人員的防噪意識(shí)。③優(yōu)化隧道的結(jié)構(gòu)形式，將隧道出入口處的結(jié)構(gòu)設(shè)置為“喇叭口狀”，使隧道口徑逐步變化，并利用隧道中的分支坑道分流空氣壓縮波，從而起到緩沖作用，減小微氣壓波對(duì)車內(nèi)乘客以及周圍居民的影響。