劉小明, 趙 欣, 徐 進(jìn),2*

(1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074； 2.重慶交通大學(xué)山區(qū)復(fù)雜道路環(huán)境“人-車(chē)-路”協(xié)同與安全重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市隧道建設(shè)日益增多，城市隧道噪聲污染也日趨嚴(yán)重。由于隧道洞口對(duì)噪聲具有“喇叭”效應(yīng)[1]和噪聲在隧道半封閉構(gòu)造形式與內(nèi)壁的多次反射與疊加下，混響時(shí)間長(zhǎng)，使得隧道內(nèi)噪音難以快速消散，加上隧道內(nèi)空氣質(zhì)量和流通性比隧道外差，易使駕駛員、行人和檢修人員等產(chǎn)生煩躁、緊張情緒，嚴(yán)重影響環(huán)境與交通安全[2-5]。

城市交通噪聲在許多國(guó)家和地區(qū)都受到了重視。中外學(xué)者采用不同方法開(kāi)展大量關(guān)于城市交通噪聲方面的研究工作。徐進(jìn)等[6]通過(guò)實(shí)測(cè)分析山地城市長(zhǎng)上坡路段交通噪聲幅值，研究了交通噪聲日夜、橫向衰減規(guī)律以及影響因素；師利明等[7]基于波動(dòng)聲學(xué)和房間聲學(xué)理論對(duì)隧道內(nèi)交通噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)，從理論上提出隧道噪聲預(yù)測(cè)模式和方法，提出了相應(yīng)的降噪措施，并且認(rèn)為隧道內(nèi)交通噪聲是近似均勻分布的混響聲場(chǎng)；史小麗等[8]基于像源理論系統(tǒng)闡述與分析了三種交通預(yù)測(cè)模型，認(rèn)為相干模型能夠更精確預(yù)測(cè)隧道內(nèi)交通噪聲傳播狀況；Probst[9]運(yùn)用積分法提出噪聲預(yù)測(cè)在隧道口的修正公式，可與各類(lèi)靜態(tài)交通噪聲模型結(jié)合使用；陳妍等[10]、張雪峰等[11]、魏慶朝等[12]分別建立了不同的隧道噪聲預(yù)測(cè)模型，得到城市隧道噪聲分布、傳播規(guī)律等結(jié)論；Heutschi等[13]等提出一種將洞外接受點(diǎn)聲壓級(jí)分成洞內(nèi)直射和洞內(nèi)反射聲在洞口位置面聲源的疊加模型；章月新等[14]針對(duì)所設(shè)計(jì)的三維空間，分別進(jìn)行了單通道和雙通道實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了雙通道系統(tǒng)在抑制低頻噪聲的有效性；喬海濱等[15]基于有限元法對(duì)隧道內(nèi)交通噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，認(rèn)為城市隧道內(nèi)交通噪聲主要來(lái)自汽車(chē)行駛產(chǎn)生的胎噪；羅威力等[16]基于虛聲源法利用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算三維矩形截面隧道不同位置的交通噪聲，結(jié)合微觀交通仿真技術(shù)、噪聲排放模型、洞口和洞外傳播模型，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)聲源和動(dòng)態(tài)交通源的噪聲分布計(jì)算；陳立平等[17]、肖上平等[18]、張銳等[19]、黃俊等[20]、陳延訓(xùn)[21]通過(guò)實(shí)測(cè)手段對(duì)隧道內(nèi)外噪聲進(jìn)行研究，對(duì)隧道噪聲環(huán)境進(jìn)行了定性分析；Lam等[22]等通過(guò)研究吸聲材料在長(zhǎng)空間內(nèi)不同的安裝數(shù)量和位置對(duì)其聲場(chǎng)的影響，提出了降噪材料的最優(yōu)安裝方法；王美燕[1]通過(guò)研究隧道內(nèi)外噪聲特性,結(jié)合隧道的結(jié)構(gòu)特性,給出了公路隧道洞內(nèi)、洞外交通噪聲預(yù)測(cè)模式，并提出一些隧道交通降噪方法；康傳利等[23]提出了一種組合濾波的移動(dòng)最小二乘平滑去燥方法；馬鑫等[24]則從影響地震計(jì)噪聲的關(guān)鍵環(huán)境因素入手，研究分析了甚寬頻帶地震噪聲與環(huán)境耦合的關(guān)系。

目前，中外學(xué)者對(duì)城市隧道交通噪聲的研究主要集中在平原城市，而關(guān)于山地城市隧道交通噪聲的研究較少。一方面，相比于平原城市，山地城市隧道為契合起伏的地形和地貌，在幾何線形和運(yùn)行環(huán)境方面有其特殊性，具有大量長(zhǎng)縱坡路段、曲線路段、彎坡組合路段，道路相對(duì)狹窄，汽車(chē)(尤其是大型車(chē))在通過(guò)彎道、上坡時(shí)會(huì)產(chǎn)生加速噪聲和下坡時(shí)的制動(dòng)噪聲，這些特點(diǎn)使得山地城市隧道交通噪聲較平原城市更為嚴(yán)重。另一方面，對(duì)城市隧道交通噪聲的實(shí)測(cè)研究較多采用單點(diǎn)測(cè)試或非連續(xù)測(cè)試方法，對(duì)研究隧道交通噪聲分布規(guī)律可能存在一些誤差。基于此，對(duì)山地城市隧道交通噪聲進(jìn)行實(shí)測(cè)和分析尤為重要。現(xiàn)選取6條重慶市市區(qū)內(nèi)城市隧道，分別進(jìn)行路段連續(xù)行駛交通噪聲測(cè)量，得到隧道內(nèi)外交通噪聲的幅值水平，以期為山地城市隧道建設(shè)和噪聲控制提供相應(yīng)的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)道路

綜合考慮隧道長(zhǎng)度、所屬區(qū)域、交通量和技術(shù)等級(jí)等因素，在重慶市共選擇6條具有代表性的城市隧道作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)隧道名稱(chēng)以及主要信息如表1所示，各隧道線形特征、位置及洞口情況如圖1所示。其中，八一隧道和向陽(yáng)隧道為并列的兩條隧道。在噪聲數(shù)據(jù)采集的時(shí)間段內(nèi)，6條隧道均在正常的交通條件下運(yùn)行。

表1 測(cè)試隧道基本情況

圖1 實(shí)驗(yàn)隧道的線形特征及長(zhǎng)度

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)用到的儀器，分別為HT-305激光測(cè)距儀、HT-850A噪聲計(jì)和對(duì)講機(jī)，如圖2所示。其中，噪聲計(jì)用于記錄交通噪聲的實(shí)時(shí)數(shù)值；測(cè)距儀用于測(cè)量各測(cè)試點(diǎn)縱向距離與道路邊緣線之間的橫向距離；對(duì)講機(jī)用于不同位置記錄人員的通訊。

圖2 實(shí)驗(yàn)儀器

1.3 采集方法和觀測(cè)斷面

噪聲的測(cè)量方法是遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量法。依據(jù)各隧道的實(shí)際情況將其沿行駛方向劃分為不同的測(cè)試斷面，如圖3所示。由于在隧道不同位置所測(cè)得噪聲值可和 能有較大差異，因此把隧道分為隧道內(nèi)和隧道外兩個(gè)部分進(jìn)行測(cè)量。測(cè)點(diǎn)在隧道外沿隧道縱向每間隔10 m等間距布設(shè)，在隧道內(nèi)沿隧道縱向每隔20 m等間距布設(shè)。由于四公里隧道較短，在隧道內(nèi)采用了同隧道外的10 m等間距測(cè)點(diǎn)。采集探頭放置于隧道邊墻處(橫向距離為0 m)，高度距路面為1.2 m。其中，0 m是一個(gè)近似值，實(shí)際上測(cè)點(diǎn)距離道路邊緣線約為20 cm。在每個(gè)斷面采集10～15個(gè)有效數(shù)據(jù)。

X為隧道長(zhǎng)度

1.4 觀測(cè)時(shí)間

實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)間為2018年5月4日—2018年5月16日，為避免早晚高峰、不良天氣狀況以及交通擁堵等狀態(tài)的影響，使車(chē)輛能夠在自由流狀態(tài)下行駛，同時(shí)保證數(shù)據(jù)樣本的多樣性，試驗(yàn)時(shí)間避開(kāi)了降雨天氣，測(cè)試時(shí)間段為8:30—12:00、13:30—17:30。各隧道長(zhǎng)度、測(cè)試時(shí)間均不同，具體時(shí)間如表2所示。

表2 測(cè)試時(shí)間

2 交通噪聲整體特性分析

2.1 隧道縱向的交通噪聲分布

對(duì)每個(gè)斷面實(shí)測(cè)得到的噪聲數(shù)據(jù)，剔除因汽車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)突然鳴笛而出現(xiàn)的噪聲極端值后，計(jì)算得到6條隧道的噪聲最大值、最小值和均值，表3～表8分別為各隧道噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。其中，位置以隧道洞口為0 m，隧道內(nèi)為正值，隧道外為負(fù)值。圖4為各測(cè)試斷面交通噪聲沿隧道縱的分布情況。雖然通過(guò)測(cè)點(diǎn)車(chē)流量、車(chē)速及車(chē)輛類(lèi)型具有一定的隨機(jī)性，會(huì)導(dǎo)致隧道交通噪聲測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)上下波動(dòng)，但圖4仍能反映出交通噪聲在縱向的分布規(guī)律：交通整體噪聲幅值在隧道內(nèi)部明顯高于隧道外部，呈明顯中間高兩側(cè)低的分布特性。

表3 八一隧道實(shí)測(cè)噪聲數(shù)據(jù)

表4 南坪隧道實(shí)測(cè)噪聲數(shù)據(jù)

表5 四公里隧道實(shí)測(cè)噪聲數(shù)據(jù)

表6 向陽(yáng)隧道實(shí)測(cè)噪聲數(shù)據(jù)

表7 保利觀塘隧道實(shí)測(cè)噪聲數(shù)據(jù)

表8 工貿(mào)隧道實(shí)測(cè)噪聲數(shù)據(jù)

圖4 隧道噪聲縱向分布規(guī)律

經(jīng)計(jì)算，距隧道洞口50 m處，6條隧道整體噪聲均值為76.82 dB，接近普通公路的交通噪聲；在距隧道洞口20 m處，隧道噪聲均值為77.96 dB，隧道洞口處噪聲均值為82.71 dB。噪聲均值在距隧道洞口20～50 m提高了1.14 dB，提升幅度較??；而距隧道洞口20 m至洞口噪聲均值提高了4.75 dB，提升明顯。由此可見(jiàn)，交通噪聲的提高主要集中在隧道洞口前20 m至洞口處。在隧道內(nèi)部，交通噪聲幅值波動(dòng)較小，各條隧道整體噪聲均值為88.73 dB，比隧道外部(距隧道洞口50 m)高出近12 dB。噪聲峰值為94.5 dB，出現(xiàn)在向陽(yáng)隧道300 m處。隨著距隧道出口的距離越遠(yuǎn)，噪聲降低，逐漸回到正常水平。由此可知，城市隧道的交通噪聲特點(diǎn)和一般城市道路存在差異。

2.2 隧道洞口內(nèi)外交通噪聲分布規(guī)律

Probs[9]、羅威力等[16]和陳立平等[17]研究認(rèn)為，洞內(nèi)噪聲對(duì)洞外噪聲的增加量影響在50 m左右，為更好地研究隧道洞口內(nèi)外噪聲分布規(guī)律，增加10 m距離，以隧道洞口為原點(diǎn)，每隔20 m實(shí)測(cè)得到隧道洞口內(nèi)外60 m噪聲。圖5為各測(cè)試隧道洞口內(nèi)外60 m噪聲分布縱向均值散點(diǎn)圖，實(shí)線為各隧道斷面噪聲均值。

由圖5可知，在隧道外60 m位置至隧道內(nèi)60 m位置交通噪聲水平有明顯的增加，交通噪聲均值從70～80 dB增加至80～90 dB，平均增加了約10 dB。噪聲在距離隧道洞口20 m左右時(shí)迅速提高。車(chē)輛在進(jìn)出隧道洞口時(shí)，駕駛員會(huì)有明適應(yīng)與暗適應(yīng)過(guò)程，在進(jìn)出隧道洞口時(shí)，車(chē)輛會(huì)有減速和加速過(guò)程，輪胎制動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，都會(huì)產(chǎn)生噪聲。同時(shí)，由于隧道口對(duì)噪聲具有“喇叭”效應(yīng)，使得噪聲在隧道洞口內(nèi)外差值較大。因此，可以認(rèn)為交通噪聲水平在隧道洞口內(nèi)外有明顯差異，由隧道外至隧道內(nèi)，噪聲值有明顯提高。

圖5 隧道洞口噪聲均值

3 交通噪聲對(duì)車(chē)流量的敏感性

為了得到車(chē)流量對(duì)隧道交通噪音的變化規(guī)律，選取其中車(chē)流量較小的八一隧道和工貿(mào)隧道作為實(shí)驗(yàn)隧道，選取了四個(gè)測(cè)試斷面實(shí)測(cè)了有車(chē)輛經(jīng)過(guò)和無(wú)車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)隧道的噪聲值，表9～表12為兩條隧道有車(chē)經(jīng)過(guò)和無(wú)車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)4個(gè)斷面的噪聲實(shí)測(cè)值。其中，表9～表12中四個(gè)斷面分別對(duì)應(yīng)距隧道洞口50 m、前隧道洞口處、隧道正中處和后隧道洞口處。同時(shí)，得到兩條隧道4個(gè)斷面有無(wú)車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)的噪聲散點(diǎn)圖和均值圖，如圖6所示。

表9 八一隧道無(wú)車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)斷面噪聲數(shù)據(jù)

表10 八一隧道有車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)斷面噪聲數(shù)據(jù)

表11 工貿(mào)隧道無(wú)車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)斷面噪聲數(shù)據(jù)

表12 工貿(mào)隧道有車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)斷面噪聲數(shù)據(jù)

由圖6(c)可知，當(dāng)沒(méi)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，兩條隧道的噪聲總體變化幅度在隧道內(nèi)外無(wú)明顯波動(dòng)，噪聲值在進(jìn)入隧道后有小幅增加，但變化不明顯；而當(dāng)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，隧道噪聲均值整體上比無(wú)車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)要高，且在進(jìn)入隧道后有明顯的增加，兩者都在隧道中部達(dá)到最高幅值，在出隧道口時(shí)會(huì)有所下降。而由圖6(a)、圖6(b)可知，有車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的噪聲幅值范圍大于無(wú)車(chē)經(jīng)過(guò)?；诖?，可以認(rèn)為隧道內(nèi)外噪聲水平會(huì)因車(chē)輛經(jīng)過(guò)而增高，且隧道內(nèi)的噪聲提高明顯高于隧道外，噪聲值在隧道洞口處增加顯著，這與2.2節(jié)結(jié)論基本一致。

圖6 有無(wú)車(chē)輛經(jīng)過(guò)的噪聲實(shí)測(cè)值比較

目前，中國(guó)的道路交通噪聲質(zhì)量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)是輕度污染為70 dB，中度污染為72 dB，重度污染為74 dB。由圖6可知，當(dāng)沒(méi)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，八一隧道噪聲水平處于輕度污染與中度污染之間，而工貿(mào)隧道則處于輕度污染之下。工貿(mào)隧道整體噪聲水平較八一隧道低，其原因是八一隧道所在位置靠近商業(yè)區(qū)，周邊環(huán)境比較嘈雜，而工貿(mào)隧道位于住宅區(qū)附近，周邊環(huán)境比較安靜。當(dāng)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，兩條隧道噪聲實(shí)測(cè)值絕大部分已經(jīng)超過(guò)重度污染水平，表明隧道交通噪聲已經(jīng)對(duì)人們出行、工作和生活產(chǎn)生了較嚴(yán)重的影響。

4 交通噪聲對(duì)振動(dòng)減速標(biāo)線的敏感性

南坪隧道東南至西北方向存在一段下坡路段，為提高隧道內(nèi)道路安全水平，隧道內(nèi)每隔30 m設(shè)有一段總長(zhǎng)約210 m的振動(dòng)減速標(biāo)線，其具體位置如圖7所示。為了研究振動(dòng)減速標(biāo)線對(duì)隧道交通噪聲的影響，以振動(dòng)減速標(biāo)線起點(diǎn)為原點(diǎn)，實(shí)測(cè)隧道內(nèi)振動(dòng)減速標(biāo)線前后100 m交通噪聲縱向分布情況，得到結(jié)果如圖8所示。

圖7 振動(dòng)減速標(biāo)線位置

圖8 南坪隧道振動(dòng)減速標(biāo)線噪聲分布

由圖8可知，噪聲值在經(jīng)過(guò)隧道中振動(dòng)減速帶起點(diǎn)后有一個(gè)小幅度的提高，在終點(diǎn)后50～60 m逐漸降低，最終回到振動(dòng)減速標(biāo)線之前的隧道路段噪聲水平。其中，交通噪聲在振動(dòng)減速標(biāo)線起點(diǎn)斷面處提高最為明顯，經(jīng)過(guò)振動(dòng)減速帶的噪聲均值水平比隧道內(nèi)其他路段高出約1.5 dB。其原因主要是汽車(chē)輪胎在經(jīng)過(guò)振動(dòng)減速帶時(shí)與凹凸不平的減速標(biāo)線輾軋而產(chǎn)生的胎噪所引起的。因此，研究結(jié)果表明振動(dòng)減速標(biāo)線在一定程度上會(huì)小幅提高隧道內(nèi)的噪聲水平。

5 結(jié)論

山地城市道路具有坡道長(zhǎng)、坡度大和彎道多等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)在城市隧道也有所體現(xiàn)，因此汽車(chē)行駛噪聲一直是主要交通公害之一。在重慶主城區(qū)選擇6條典型城市隧道，通過(guò)采集連續(xù)斷面的汽車(chē)行駛噪聲，得到如下結(jié)論。

(1)交通整體噪聲幅值在隧道內(nèi)部明顯高于隧道外部，呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的分布特性。

(2)交通噪聲水平在隧道洞口內(nèi)外有明顯差異，由隧道外至隧道內(nèi)，噪聲有明顯提高。尤其是距離洞口20 m處開(kāi)始迅速提高。

(3)隧道內(nèi)外噪聲水平會(huì)因車(chē)輛經(jīng)過(guò)而增高，且隧道內(nèi)的噪聲提高明顯高于隧道外，噪聲在隧道洞口處增加顯著。

(4)振動(dòng)減速標(biāo)線在一定程度上會(huì)小幅提高隧道內(nèi)的噪聲水平。

采用連續(xù)斷面實(shí)測(cè)方法，對(duì)山地城市多條隧道進(jìn)行了噪聲測(cè)量，并對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到隧道交通噪聲整體縱向分布規(guī)律、隧道洞口內(nèi)外噪聲縱向分布規(guī)律以及車(chē)流量和振動(dòng)減速帶兩個(gè)因素對(duì)隧道噪聲水平的影響，為山地城市隧道建設(shè)和噪聲控制提供了相應(yīng)數(shù)據(jù)支持。