黃　俊，虞辰杰，張忠宇，陳立平，余劍威

（1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.紹興市柯橋區(qū)建筑工程安全質量監(jiān)督站，浙江 紹興 312000；3.南京大學物理學院，江蘇 南京 210000）

城市隧道噪聲實測與降噪措施研究

黃俊1，虞辰杰2，張忠宇1，陳立平1，余劍威3

（1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.紹興市柯橋區(qū)建筑工程安全質量監(jiān)督站，浙江 紹興 312000；3.南京大學物理學院，江蘇 南京 210000）

城市隧道內(nèi)噪聲對環(huán)境影響不容忽視，直接影響到人們的身心健康，需對其進行系統(tǒng)深入研究。選取了8座典型隧道進行噪聲實測，對隧道實際噪聲、隧道單車噪聲、噪聲頻譜特性和隧道混響時間等進行詳細分析。主要結論如下：（1）隧道內(nèi)噪聲主要是中低頻噪聲，隧道內(nèi)噪聲平均高于隧道外噪聲8.6 dBA，隧道長度、斷面形式、車流量以及車速等對隧道內(nèi)噪聲影響較大。（2）單車車速從40 km/h增大到80 km/h的過程中，車速每增加1 km/h，噪聲值平均增加0.35 dBA。（3）隧道內(nèi)中低頻噪聲的混響時間最長（6 s左右），中低頻是隧道噪聲的主要頻段，這也是隧道內(nèi)噪聲偏高的主要原因之一,通過有效的降噪設計，隧道內(nèi)噪聲可降低4～5 dB。

城市隧道；噪聲實測；頻譜特性；混響時間；降噪設計

0　引　言

城市隧道是城市公路交通的重要組成部分，通常周圍人口比較密集。由此帶來兩方面問題，一方面，隧道口對噪聲的放大和擴散效應（又稱喇叭效應）對隧道出入口附近居民形成長期困擾；另一方面，半封閉的隧道使噪音難以快速消散，并且經(jīng)壁面多次發(fā)射和疊加，產(chǎn)生相對于開放空間更大的噪音值且混響時間長（音箱效應），極易使人產(chǎn)生煩躁和緊張等情緒，嚴重影響交通環(huán)境和安全[1-5]，尤其對于人車混行隧道，行人會較長時間暴露于高噪聲環(huán)境，有可能對聽覺神經(jīng)造成不可恢復的損傷[6]。

當前我國城市隧道建設過程中因防火需求，通常不考慮降噪設計，我國的《公路隧道設計規(guī)范》也沒有涉及到公路隧道建設的聲學設計方面的問題。但關于隧道降噪的研究一直都沒有停止，如通過實測手段對隧道內(nèi)外噪聲進行研究[3]，隧道降噪新型材料及其聲學特性研究[7，8]。利用理論分析的方法對隧道內(nèi)噪聲進行預測等[9-11]?，F(xiàn)有研究大多針對公路隧道，而城市隧道斷面形式更為多樣，周邊環(huán)境更為復雜，噪聲控制要求更高等這些特征決定了需對城市隧道噪聲進行專門研究。

本文選取了幾座典型隧道為研究對象，采用現(xiàn)場實測的手段，首先對隧道內(nèi)外噪聲特性進行研究，然后進一步對隧道噪聲傳播擴散規(guī)律及混響時間進行分析，最后依據(jù)研究成果，對新建隧道降噪方案進行設計并對降噪效果進行預測。

1　隧道噪聲及其頻譜特性

城市隧道相比于山嶺隧道結構形式更加多變，暗埋段結構形式包括矩形斷面、拱形斷面、折板拱斷面、頂板開孔斷面；敞開段結構形式包括U型直墻斷面、斜墻斷面、內(nèi)凹型斷面等，各種斷面形式的聲反射各異，結構形式見圖1。

圖1　不同暗埋段隧道斷面形式

復雜多變的結構形式，使得噪聲在隧道內(nèi)的傳播、擴散和疊加規(guī)律變化各異，由此所采取的降噪措施也不盡相同，必須針對性進行研究。在選取了8座有代表性的城市隧道，對正常運營期間交通噪聲和夜晚檢修期單車噪聲進行實地測試，見表1。

表1中所選隧道在長度、斷面形式、出口形式、車道數(shù)、引道吸聲等方面幾乎涵蓋了城市隧道所有常見的特征，因而本次測試結果可作為預測和評價城市隧道噪聲的基礎數(shù)據(jù)，具有較大的工程意義和實際意義。

在對實際噪聲進行測試過程中，參考現(xiàn)有道路噪聲測試規(guī)程，測點布設高度為1.2 m,每個測點連續(xù)測試20 min，取該時間段內(nèi)平均值最為該測點噪聲值，見圖2。

圖2　現(xiàn)場噪聲實測

最終得到各測試隧道內(nèi)外噪聲及其頻譜特性對比結果見圖3。

由以上測試結果可知，隧道內(nèi)外噪聲主要為中低頻，頻率分布呈現(xiàn)明顯的波浪形，在低頻和中頻分別出現(xiàn)峰值，后續(xù)研究結果表明，低頻噪聲主要由動力系統(tǒng)產(chǎn)生，而中頻噪聲主要由輪胎與路面之間產(chǎn)生。隧道內(nèi)噪聲相較于隧道外噪聲明顯偏高，且中頻部分偏高最為明顯。各隧道內(nèi)外等效噪聲差值見圖4。

圖3　隧道噪聲頻譜特性

圖4　隧道內(nèi)外噪聲差

表1　測試隧道基本情況

由所得隧道內(nèi)外噪聲差值可知，正常運營情況下，隧道內(nèi)外噪聲差值最小的是中山門隧道（4.5 dB），最高為通濟門隧道（11.7 dB），平均差值為8.6 dB。隧道內(nèi)外噪聲差值的大小與許多因素相關，包括隧道長度，車流量，車速等。上圖中差值在平均值以下的三座隧道和平均值以上的三座隧道相比，具有隧道長度相對較短、車速相對較慢等明顯特征。

2　隧道單車噪聲

運營期間隧道內(nèi)噪聲是由許多單車噪聲疊加而來的，因此對單車噪聲規(guī)律的分析有助于更加清晰的了解隧道噪聲的組成和疊加規(guī)律。

以普通小汽車為實驗車輛，在夜間隧道封閉期間（無其它外來車輛干擾）分別以40 km/h、60 km/h和80 km/h的速度進行測試，對于下沉式隧道，在出入口附近路面具有一定的坡度，本次測試分別對上坡和下坡情況進行了分別考慮，現(xiàn)場情況與測點布設位置見圖5。

圖5　隧道內(nèi)單車噪聲測點

最終得到各測點單車噪聲見圖6。

由以上測試結果表明，車速對噪聲的影響明顯。車速從40 km/h增大到80 km/h的過程中，最近點A聲級從75 dBA增大到89 dBA。在40～80 km時速范圍內(nèi)，車速每增加1km/h，噪聲值平均增加0.35 dBA。隧道內(nèi)坡道對噪聲影響較小，其原因是在時速一定的情況下，坡道只影響發(fā)動機的輸出功率，從而影響發(fā)動機噪聲，而發(fā)動機為低頻噪聲，人耳對低頻聲音不敏感，且隨著現(xiàn)代汽車性能的提升，發(fā)動機噪聲呈現(xiàn)越來越小的趨勢。因此在對隧道進行降噪設計過程中，隧道內(nèi)坡道可以不予考慮。

3　隧道混響時間

混響時間是評價隧道噪聲環(huán)境及降噪效果的綜合指標，本次實驗分別選取了鼓樓隧道、清涼山隧道和玄武湖隧道進行測試，采用氣球爆炸模擬無指向脈沖聲源，見圖7。

測得不同頻率下的混響時間分布規(guī)律見圖8。

由圖8所得混響時間可知，隧道內(nèi)中低頻噪聲的混響時間最長（6 s左右），而前面隧道內(nèi)噪聲頻譜特性表明隧道內(nèi)噪聲主要是中低頻噪聲，這也是隧道內(nèi)噪聲相較于是對外高很多的主要原因之一。

圖6　不同車速下隧道內(nèi)單車噪聲

圖7　隧道混響時間測試

玄武湖隧道不同測點之間混響時間差距較大，主要是為研究隧道采光井對混響時間的影響，三個測點分別位于隧道內(nèi)、采光井、和隧道外，見圖9。

圖9　玄武湖隧道混響時間測點布設

通過測試結果可以得到，隧道口的開敞環(huán)境，使聲能得以迅速衰減。采光窗可以視為吸聲結構，有效降低隧道內(nèi)混響噪聲。

本次測試的意義一方面是對隧道噪聲有了更加清晰的認識，同時也為既有隧道降噪改造設計方案的提出奠定了堅實基礎。

4　隧道降噪方案及其效果預測

在前文所得噪聲分布特性的基礎上，首先對材料吸聲參數(shù)進行分析，在此基礎上對某隧道進行降噪方案設計，并對降噪效果進行預測，見表2。

表2　常用材料聲學特性

由表2可知，不同材料的吸聲特性差別較大，既是同一種材料，不同頻段吸聲參數(shù)也不同。鑒于前文分析結果，隧道內(nèi)噪聲主要為中低頻，綜合考慮隧道內(nèi)防火要求和光照要求，選取采用側墻無機發(fā)泡吸聲磚+吊頂吸聲噴涂處理的方式進行降噪設計，具體鋪設方案見圖10。

圖10　隧道降噪設計方案

K-13B型防火噴涂可以有效的吸收500 Hz以上的聲能，對于1 000 Hz的峰值噪聲具有很好的效果。因此吊頂使用防火吸聲噴涂處理，噴涂要求不小于25 mm厚，側墻使用無機發(fā)泡吸聲磚，無機發(fā)泡吸聲磚需要使用50 mm厚度以上的材料。后空腔預留200 mm空氣層，在全頻帶都有著較高的吸聲系數(shù)。無機發(fā)泡吸聲磚的頂部不需要增加封板，敞開的設計有利于其提高吸聲系數(shù)。

本方案的降噪量預計在5 000 Hz時，降噪量達到最大值，預計超過5 dB。同時，在低頻80 Hz左右同樣有著較高的降噪量。但在200 Hz時有明顯的低谷，見圖11。

圖11　方案降噪效果預測分析

經(jīng)過仿真分析，得到本方案最終降噪效果為4.6 dBA。城市隧道噪聲實測方案需要通過測試、模擬、再測試和再模擬的循環(huán)，結合數(shù)值分析進行驗證，以便在對不同結構形式的隧道進行預測分析時得到預期的效果。當前城市隧道內(nèi)及其洞口附近噪聲值普遍處于嚴重超標狀態(tài)，城市隧道降噪工作亟需開展。采取合理的降噪設計和降噪措施不僅可以有效的降低噪聲值，同時對消減混響也會起到顯著效果。

6　結論

（1）隧道內(nèi)噪聲主要是中低頻噪聲，隧道內(nèi)噪聲平均高于隧道外噪聲8.6 dBA，隧道長度、斷面形式、車流量以及車速等對隧道內(nèi)噪聲影響較大。

（2）單車車速從40 km/h增大到80 km/h的過程中，車速每增加1 km/h，噪聲值平均增加0.35 dBA。

（3）隧道內(nèi)中低頻噪聲的混響時間最長（6 s左右），中低頻是隧道噪聲的主要頻段，這也是隧道內(nèi)噪聲偏高的主要原因之一,通過有效的降噪設計，隧道內(nèi)噪聲可降低4～5 dB。

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U453.8+2

A

1009-7716（2016）04-0164-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.051

2015-12-25

蘇建計[2014]644號“降噪技術在城市隧道中的應用2014ZD09”；蘇建計[2015]302號《城市隧道降噪技術規(guī)程》

黃俊 (1979-)，男，浙江金華人，博士，研究員級高級工程師，從事隧道與地下工程設計、咨詢和科研工作。