山地城市隧道交通噪声分布特性实测

刘小明, 赵 欣, 徐 进,2*

(1.重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074； 2.重庆交通大学山区复杂道路环境“人-车-路”协同与安全重庆市重点实验室，重庆 400074)

随着城市化进程的加快，城市隧道建设日益增多，城市隧道噪声污染也日趋严重。由于隧道洞口对噪声具有“喇叭”效应[1]和噪声在隧道半封闭构造形式与内壁的多次反射与叠加下，混响时间长，使得隧道内噪音难以快速消散，加上隧道内空气质量和流通性比隧道外差，易使驾驶员、行人和检修人员等产生烦躁、紧张情绪，严重影响环境与交通安全[2-5]。

城市交通噪声在许多国家和地区都受到了重视。中外学者采用不同方法开展大量关于城市交通噪声方面的研究工作。徐进等[6]通过实测分析山地城市长上坡路段交通噪声幅值，研究了交通噪声日夜、横向衰减规律以及影响因素；师利明等[7]基于波动声学和房间声学理论对隧道内交通噪声进行预测，从理论上提出隧道噪声预测模式和方法，提出了相应的降噪措施，并且认为隧道内交通噪声是近似均匀分布的混响声场；史小丽等[8]基于像源理论系统阐述与分析了三种交通预测模型，认为相干模型能够更精确预测隧道内交通噪声传播状况；Probst[9]运用积分法提出噪声预测在隧道口的修正公式，可与各类静态交通噪声模型结合使用；陈妍等[10]、张雪峰等[11]、魏庆朝等[12]分别建立了不同的隧道噪声预测模型，得到城市隧道噪声分布、传播规律等结论；Heutschi等[13]等提出一种将洞外接受点声压级分成洞内直射和洞内反射声在洞口位置面声源的叠加模型；章月新等[14]针对所设计的三维空间，分别进行了单通道和双通道实验，验证了双通道系统在抑制低频噪声的有效性；乔海滨等[15]基于有限元法对隧道内交通噪声进行数值模拟分析并结合现场实测，认为城市隧道内交通噪声主要来自汽车行驶产生的胎噪；罗威力等[16]基于虚声源法利用计算机仿真计算三维矩形截面隧道不同位置的交通噪声，结合微观交通仿真技术、噪声排放模型、洞口和洞外传播模型，实现单点声源和动态交通源的噪声分布计算；陈立平等[17]、肖上平等[18]、张锐等[19]、黄俊等[20]、陈延训[21]通过实测手段对隧道内外噪声进行研究，对隧道噪声环境进行了定性分析；Lam等[22]等通过研究吸声材料在长空间内不同的安装数量和位置对其声场的影响，提出了降噪材料的最优安装方法；王美燕[1]通过研究隧道内外噪声特性,结合隧道的结构特性,给出了公路隧道洞内、洞外交通噪声预测模式，并提出一些隧道交通降噪方法；康传利等[23]提出了一种组合滤波的移动最小二乘平滑去燥方法；马鑫等[24]则从影响地震计噪声的关键环境因素入手，研究分析了甚宽频带地震噪声与环境耦合的关系。

目前，中外学者对城市隧道交通噪声的研究主要集中在平原城市，而关于山地城市隧道交通噪声的研究较少。一方面，相比于平原城市，山地城市隧道为契合起伏的地形和地貌，在几何线形和运行环境方面有其特殊性，具有大量长纵坡路段、曲线路段、弯坡组合路段，道路相对狭窄，汽车(尤其是大型车)在通过弯道、上坡时会产生加速噪声和下坡时的制动噪声，这些特点使得山地城市隧道交通噪声较平原城市更为严重。另一方面，对城市隧道交通噪声的实测研究较多采用单点测试或非连续测试方法，对研究隧道交通噪声分布规律可能存在一些误差。基于此，对山地城市隧道交通噪声进行实测和分析尤为重要。现选取6条重庆市市区内城市隧道，分别进行路段连续行驶交通噪声测量，得到隧道内外交通噪声的幅值水平，以期为山地城市隧道建设和噪声控制提供相应的理论依据和数据支持。

1 实验方案

1.1 实验道路

综合考虑隧道长度、所属区域、交通量和技术等级等因素，在重庆市共选择6条具有代表性的城市隧道作为实验对象，实验隧道名称以及主要信息如表1所示，各隧道线形特征、位置及洞口情况如图1所示。其中，八一隧道和向阳隧道为并列的两条隧道。在噪声数据采集的时间段内，6条隧道均在正常的交通条件下运行。

表1 测试隧道基本情况

图1 实验隧道的线形特征及长度

1.2 实验仪器

实验用到的仪器，分别为HT-305激光测距仪、HT-850A噪声计和对讲机，如图2所示。其中，噪声计用于记录交通噪声的实时数值；测距仪用于测量各测试点纵向距离与道路边缘线之间的横向距离；对讲机用于不同位置记录人员的通讯。

图2 实验仪器

1.3 采集方法和观测断面

噪声的测量方法是远场测量法。依据各隧道的实际情况将其沿行驶方向划分为不同的测试断面，如图3所示。由于在隧道不同位置所测得噪声值可和 能有较大差异，因此把隧道分为隧道内和隧道外两个部分进行测量。测点在隧道外沿隧道纵向每间隔10 m等间距布设，在隧道内沿隧道纵向每隔20 m等间距布设。由于四公里隧道较短，在隧道内采用了同隧道外的10 m等间距测点。采集探头放置于隧道边墙处(横向距离为0 m)，高度距路面为1.2 m。其中，0 m是一个近似值，实际上测点距离道路边缘线约为20 cm。在每个断面采集10～15个有效数据。

X为隧道长度

1.4 观测时间

实验测量时间为2018年5月4日—2018年5月16日，为避免早晚高峰、不良天气状况以及交通拥堵等状态的影响，使车辆能够在自由流状态下行驶，同时保证数据样本的多样性，试验时间避开了降雨天气，测试时间段为8:30—12:00、13:30—17:30。各隧道长度、测试时间均不同，具体时间如表2所示。

表2 测试时间

2 交通噪声整体特性分析

2.1 隧道纵向的交通噪声分布

对每个断面实测得到的噪声数据，剔除因汽车经过时突然鸣笛而出现的噪声极端值后，计算得到6条隧道的噪声最大值、最小值和均值，表3～表8分别为各隧道噪声实测数据。其中，位置以隧道洞口为0 m，隧道内为正值，隧道外为负值。图4为各测试断面交通噪声沿隧道纵的分布情况。虽然通过测点车流量、车速及车辆类型具有一定的随机性，会导致隧道交通噪声测试结果出现上下波动，但图4仍能反映出交通噪声在纵向的分布规律：交通整体噪声幅值在隧道内部明显高于隧道外部，呈明显中间高两侧低的分布特性。

表3 八一隧道实测噪声数据

表4 南坪隧道实测噪声数据

表5 四公里隧道实测噪声数据

表6 向阳隧道实测噪声数据

表7 保利观塘隧道实测噪声数据

表8 工贸隧道实测噪声数据

图4 隧道噪声纵向分布规律

经计算，距隧道洞口50 m处，6条隧道整体噪声均值为76.82 dB，接近普通公路的交通噪声；在距隧道洞口20 m处，隧道噪声均值为77.96 dB，隧道洞口处噪声均值为82.71 dB。噪声均值在距隧道洞口20～50 m提高了1.14 dB，提升幅度较小；而距隧道洞口20 m至洞口噪声均值提高了4.75 dB，提升明显。由此可见，交通噪声的提高主要集中在隧道洞口前20 m至洞口处。在隧道内部，交通噪声幅值波动较小，各条隧道整体噪声均值为88.73 dB，比隧道外部(距隧道洞口50 m)高出近12 dB。噪声峰值为94.5 dB，出现在向阳隧道300 m处。随着距隧道出口的距离越远，噪声降低，逐渐回到正常水平。由此可知，城市隧道的交通噪声特点和一般城市道路存在差异。

2.2 隧道洞口内外交通噪声分布规律

Probs[9]、罗威力等[16]和陈立平等[17]研究认为，洞内噪声对洞外噪声的增加量影响在50 m左右，为更好地研究隧道洞口内外噪声分布规律，增加10 m距离，以隧道洞口为原点，每隔20 m实测得到隧道洞口内外60 m噪声。图5为各测试隧道洞口内外60 m噪声分布纵向均值散点图，实线为各隧道断面噪声均值。

由图5可知，在隧道外60 m位置至隧道内60 m位置交通噪声水平有明显的增加，交通噪声均值从70～80 dB增加至80～90 dB，平均增加了约10 dB。噪声在距离隧道洞口20 m左右时迅速提高。车辆在进出隧道洞口时，驾驶员会有明适应与暗适应过程，在进出隧道洞口时，车辆会有减速和加速过程，轮胎制动和发动机转速提高，都会产生噪声。同时，由于隧道口对噪声具有“喇叭”效应，使得噪声在隧道洞口内外差值较大。因此，可以认为交通噪声水平在隧道洞口内外有明显差异，由隧道外至隧道内，噪声值有明显提高。

图5 隧道洞口噪声均值

3 交通噪声对车流量的敏感性

为了得到车流量对隧道交通噪音的变化规律，选取其中车流量较小的八一隧道和工贸隧道作为实验隧道，选取了四个测试断面实测了有车辆经过和无车辆经过时隧道的噪声值，表9～表12为两条隧道有车经过和无车经过时4个断面的噪声实测值。其中，表9～表12中四个断面分别对应距隧道洞口50 m、前隧道洞口处、隧道正中处和后隧道洞口处。同时，得到两条隧道4个断面有无车辆经过时的噪声散点图和均值图，如图6所示。

表9 八一隧道无车辆经过时断面噪声数据

表10 八一隧道有车辆经过时断面噪声数据

表11 工贸隧道无车辆经过时断面噪声数据

表12 工贸隧道有车辆经过时断面噪声数据

由图6(c)可知，当没有车辆经过时，两条隧道的噪声总体变化幅度在隧道内外无明显波动，噪声值在进入隧道后有小幅增加，但变化不明显；而当有车辆经过时，隧道噪声均值整体上比无车辆经过时要高，且在进入隧道后有明显的增加，两者都在隧道中部达到最高幅值，在出隧道口时会有所下降。而由图6(a)、图6(b)可知，有车经过时的噪声幅值范围大于无车经过。基于此，可以认为隧道内外噪声水平会因车辆经过而增高，且隧道内的噪声提高明显高于隧道外，噪声值在隧道洞口处增加显著，这与2.2节结论基本一致。

图6 有无车辆经过的噪声实测值比较

目前，中国的道路交通噪声质量等级划分标准是轻度污染为70 dB，中度污染为72 dB，重度污染为74 dB。由图6可知，当没有车辆经过时，八一隧道噪声水平处于轻度污染与中度污染之间，而工贸隧道则处于轻度污染之下。工贸隧道整体噪声水平较八一隧道低，其原因是八一隧道所在位置靠近商业区，周边环境比较嘈杂，而工贸隧道位于住宅区附近，周边环境比较安静。当有车辆经过时，两条隧道噪声实测值绝大部分已经超过重度污染水平，表明隧道交通噪声已经对人们出行、工作和生活产生了较严重的影响。

4 交通噪声对振动减速标线的敏感性

南坪隧道东南至西北方向存在一段下坡路段，为提高隧道内道路安全水平，隧道内每隔30 m设有一段总长约210 m的振动减速标线，其具体位置如图7所示。为了研究振动减速标线对隧道交通噪声的影响，以振动减速标线起点为原点，实测隧道内振动减速标线前后100 m交通噪声纵向分布情况，得到结果如图8所示。

图7 振动减速标线位置

图8 南坪隧道振动减速标线噪声分布

由图8可知，噪声值在经过隧道中振动减速带起点后有一个小幅度的提高，在终点后50～60 m逐渐降低，最终回到振动减速标线之前的隧道路段噪声水平。其中，交通噪声在振动减速标线起点断面处提高最为明显，经过振动减速带的噪声均值水平比隧道内其他路段高出约1.5 dB。其原因主要是汽车轮胎在经过振动减速带时与凹凸不平的减速标线辗轧而产生的胎噪所引起的。因此，研究结果表明振动减速标线在一定程度上会小幅提高隧道内的噪声水平。

5 结论

山地城市道路具有坡道长、坡度大和弯道多等特点，这些特点在城市隧道也有所体现，因此汽车行驶噪声一直是主要交通公害之一。在重庆主城区选择6条典型城市隧道，通过采集连续断面的汽车行驶噪声，得到如下结论。

(1)交通整体噪声幅值在隧道内部明显高于隧道外部，呈现中间高两侧低的分布特性。

(2)交通噪声水平在隧道洞口内外有明显差异，由隧道外至隧道内，噪声有明显提高。尤其是距离洞口20 m处开始迅速提高。

(3)隧道内外噪声水平会因车辆经过而增高，且隧道内的噪声提高明显高于隧道外，噪声在隧道洞口处增加显著。

(4)振动减速标线在一定程度上会小幅提高隧道内的噪声水平。

采用连续断面实测方法，对山地城市多条隧道进行了噪声测量，并对噪声数据进行分析，得到隧道交通噪声整体纵向分布规律、隧道洞口内外噪声纵向分布规律以及车流量和振动减速带两个因素对隧道噪声水平的影响，为山地城市隧道建设和噪声控制提供了相应数据支持。