施工隧道噪声特性识别及防护研究

2023-11-16陈卫宏高超新陈世强陈品明

科技和产业 2023年20期

陈卫宏, 李诚, 王达, 高超新, 刘东, 陈世强, 陈品明, 冯威

(1.福建省路桥建设集团有限公司天巴三标项目部, 福州 350004; 2.广西交通投资集团有限公司, 南宁 530025;3.湖南科技大学资源环境与安全工程学院, 湖南湘潭 411201; 4.浙江交工集团股份有限公司, 杭州 310052)

截至2020年底,全国公路隧道里程已达到21 999.3 km,隧道建设正聚焦西部[1],隧道建设步入攻坚克难阶段。建设过程具有循环工序、连续施工等特点,各类大型设备运行会产生持续性高强度噪声,作业人员长期暴露在高强度噪声中,存在噪声职业危害,不利于健康及工作效率,故隧道内噪声治理问题不容忽视[2-4]。

隧道施工噪声研究主要集中在隧道内部特征、隧道施工阶段、控制与预防。例如,张振华等[5]研究了掌子面的噪声传播规律,并发现隧道内轮廓可聚集噪声能量;不同施工阶段噪声不同,王智勇等[6]利用频谱分析法,发现凿岩过程中,噪声的干涉与反射是声压级大的主要原因;周健[7]以现场实测数据为支撑,界定了施工隧道中工序对噪声的影响范围;Lee等[8]以施工阶段和施工机械为研究目标,评价了噪声干扰下对个体的不利影响;对不同施工阶段下各岗位的环境噪声,麦诗琪等[9]进行了环境噪声监测,发现机械操作手作业的噪声工作高达102.1 dB(A)。接下来,对于设备与环境的噪声关系,通过研究通风机、碎石机对周围环境干扰,王奇[10]划分了强、弱影响区。高昕[11]明确了设备数量与噪声关系,发现多台设备比单台设备噪声高5～10 dB(A)。最后,对于噪声控制及预防,Xing等[12]建立了噪声评估模型,以及评价施工驾驶员的环境适应能力,有利于岗前培训,避免潜在危险。杨增祥和田培忠[13]基于新技术、新管理,提出有效的控制噪声及噪声防护方案。此外,部分学者研究隧道内其他职业病危害的识别方法[14-15],以及隧道运营阶段噪声特征[16-18]。

综上所述,现阶段循环作业噪声特性研究较少,各类噪声频段能量分布不明确,无准确的隧道噪声防护建议。基于此,结合隧道内部分布及长时间循环工序的噪声特性,分析空间距离与噪声的关系,得到工序与噪声频谱关系;以经验模态分解方法,确定噪声能量分布,得出各工序噪声控制优先级,以期为施工隧道噪声控制及预防提供支持。

1 工程概况

天峨至巴马高速公路拾贰坡隧道,位于凤山县砦牙久隆村累怀东150 m处,隧道总体走向为南-北向。隧址属构造剥蚀、侵蚀中低山地貌,穿越山体,设计为分离式+小净距特长隧道。该隧道长度为4.732 km,进、出口高程为742.652 m和776.945 m,最大埋深430 m,隧道横截面如图1所示。隧道采用压入式通风方式,风机选型为SDF(B)-4-№11,风量为1 550 m3/min,布设于隧道洞口左侧,右侧为配电柜。

图1 施工隧道横截面

2 现场噪声测量方案

2.1 测量准备及设备

由于隧道采用钻爆法,根据现场考察,在单次完整的施工循环中,爆破、钻孔、喷浆、运碴等作业时都具有高强度噪声。因此,选用测量范围广的科赛乐63X型声压计,用于职业噪声及职业健康噪声检测,具有A、C、Z三种计权网络,频率范围为12.5～20 kHz,线性测量范围为20～140 dB,满足隧道各区域现场测量需要,亦可通过相应软件实现等效声级的换算。

2.2 噪声分布规律测点布置

隧道噪声规律,分为噪声分布规律及主要工序噪声规律,结合GB3096—2008《声环境质量标准》、GB/T2888—2008《风机和罗茨风机噪声测量方法》进行布设测点,沿洞口-掌子面方向,测点间隔50 m,距离地面1.5 m,距离隧道侧壁1.5 m,其测点布置平面,如图2所示。

为噪声测量的准确性,单测点噪声连续测量3次,每次测量时间不少于30 s。噪声测量分为两部分,一部分为仅有个别工作人员,可近似地认为未施工噪声测量,另一部分为循环工序环境噪声测量,由于不同工序作业区域不同,工序噪声按区域划分进行量化。

图2 隧道及噪声测点布置

3 隧道噪声分布规律

3.1 未施工下的隧道噪声分布

确定隧道噪声分布规律,主要为确定特定区域对噪声分布变化影响,为尽可能排除隧道施工噪声的影响,选择未施工状态下,但是此时压入式通风机的调频值为24.2 Hz,按照测量方案,对噪声进行测量,得到噪声分布规律,如图3所示。

分布规律变化主要源于隧道环境的变化,由图3可知,从洞口至养护台车处,声压级呈现随着距离减速减小趋势,但是在750 m附近区域声压级基本持平,与洞口噪声相比,下降20 dB(A),且保持着整体规律为隧道右侧声压级大于左侧,即配电柜侧大于风机侧。

在经过养护台车后,噪声声压级大幅度减小,发现有一组异常点的声压级陡增,是由于车辆噪声引起的噪声增加,且部分施工人员小范围作业影响部分点的噪声分布,噪声规律仍未改变。当噪声在1 250、1 500 m附近时,存在异常点,改变隧道两侧噪声分布规律,这两组测量离车行横通道较近,噪声规律被邻洞噪声干扰。

噪声作为复杂信号,特性多体现在频域上,为研究未施工时防水板台车的环境噪声,对噪声进行傅立叶变换,主要对局扇(4叶片)噪声进行频谱分析,人耳可分辨的噪声最小为20 Hz,即频谱图范围从20 Hz开始,为了观察频谱变化规律,对横轴的频率对数化处理,如图4所示。

由图4可知,局扇的声压级变化规律呈现出V字形,在100～400 Hz的噪声声压级较小,在700.2 Hz处达到最高点,达到62.39 dB(A),旋转噪声表现为离散的特点,所以,最高点为旋转噪声的某高阶谐频;进一步发现有多处峰值大于60 dB(A),进一步说明,局扇噪声的主要噪声源为旋转噪声。表1为未施工时的隧道部分区域噪声,可知台车环境噪声为74.8 dB(A),与局扇噪声相差不大,说明台车环境主要噪声为多台局扇的噪声的叠加噪声。

图3 隧道分布规律

在表1的基础上,结合图3,发现防水板台车多台局扇保持开启,导致局部区域的噪声骤增,当噪声传播至下台阶与下台阶时,噪声大幅度降低。同时,上台阶与下台阶的噪声差异大,说明上台阶抑制了局扇噪声的传播,当传播至掌子面处,掌子面噪声声压级仅有洞口噪声一半。

3.2 工作区域环境噪声

在钻爆法包括钻孔、运碴、放线、装药、喷浆等工序,钻孔、运碴、喷浆在隧道开挖循环时间占比大[19],长时间暴露在高强度噪声下,影响着健康及工作效率[2],所以有必要对不同工种的不同区域环境噪声展开测定,如表2所示。

根据声压级大小,可以将工序分为出碴类、喷浆类、钻孔类、其他类。钻孔噪声分为下台阶噪声、上台阶噪声、掌子面噪声三个部分,钻孔类噪声差异较大,最大声压级差值可达到10 dB(A)。现场采用台阶爆破法,故钻孔分为在下台阶钻孔及掌子面钻孔,其现场如图5所示。

由图5和表2可知,掌子面噪声特点为多孔开钻、人数多、高噪声,下台阶的开孔少、人数少,所以噪声相差大。出碴类噪声与喷浆类噪声相差不大,各工序声压级大小总体表现为钻孔类>出碴喷浆类>其他类,而噪声的控制及预防,需要首先明确噪声细节差异。

图4 局部风机频谱

表1 未施工时隧道部分区域噪声

表2 各工序下的隧道区域噪声

进一步,对表2中各工序噪声的倍频程分析,所得结果如图6所示。

由图6和表2可知,钻孔作业三个区域的倍频程有明显区别。具体为,掌子面噪声声压级高,在全频段均最高,在上台阶与下台阶噪声声压级近似相等,区别在于当频带中心频率2 048 Hz以下,上台阶大于下台阶噪声。但是,当大于2 048 Hz,上台阶小于下台阶噪声。运碴时和空载噪声声压级相同,但是,主要在中低频变化明显;进一步,64 Hz处变化最大,空载的噪声高于运碴。这表明,运碴作业对低频噪声有抑制作用。喷浆主要噪声源头主要为高频噪声,在高频仅低于钻孔噪声,低频噪声小。在倍频程分布上,装碴、运碴、空载大致相同。

4 隧道噪声问题分析

隧道噪声职业危害与区域人员分布有关,如防水板台车及防水台车处人员分布较为密集。现场测量发现,防水板台车及防水板台车周围环境噪声,不是单一工序引起噪声,而是多数工序及工种噪声叠加而成,声场较为复杂,复杂噪声对听力影响更为严重。要明确噪声的区别,可利用经验模态分解可提取出信号特性[20-21],分解为模态分量(intrinsic mode functions,IMF),表征不同时间尺度下

图5 钻孔施工现场

图6 各工序的倍频程

的局部特征。模态分解一般需满足以下条件,极值点的个数与过零点个数最大差值为1,任意时刻的上包络与下包络呈局部对称关系。

模态分解过程为:①求取信号的极值点,极大值拟合为上包络线,极小值拟合为下包络线;②取上下包络线的平均值,计算原信号与平均值之差,得到新信号;③判断符合条件,并迭代。

根据以上方式,对噪声信号进行5层分解,得到由高频到低频的IMF分量,如图7所示。

图7 环境噪声EMD分解示意

图7中,IMF1～IMF5所代表各代表的频率范围,分别为1 160～16 200 Hz、779～5 040 Hz、369～2 030 Hz、128～817 Hz、97.9～359 Hz,相对能量占比分别为14.72%、20.03%、14.53%、11.48%、3.84%。对于防水板台车环境噪声,246～5 040 Hz的能量占比为34.56%,并以高频噪声能量为主。

在既往研究中,例如,根据听力与不同频段噪声的研究[22-24],高频噪声听力损失,是职业性耳聋的前期表现阶段。据统计数据具体表现为,0.5 kHz～6 kHz频段均存在听力下降情况,6 kHz、4 kHz的听力损失最为严重,年龄40～50岁或者工龄在10～20年的职业性噪声接触者的听力损失最为严重。不仅如此,处于高噪环境吸烟会极大增加高频听力损失发生概率[25],重度吸烟影响低频段听力[26]。进一步,结合图7的经验模态分解及其各频段能量可知,隧道噪声能量集中在246～5 040 Hz,与职业性耳聋噪声听力易损失频段高度重合,此频段噪声为重点控制噪声频段。

利用等干扰噪声评价(NR)曲线簇[27],结合防水板台车环境噪声及各工序噪声,量化重点控制噪声频段对人的实际影响,如图8所示。

由图8可知,钻孔类的评价数大小关系为,掌子面>下台阶>上台阶,分别为103.7、93.7、88.9。运碴类的大小关系为;装碴>运碴>运碴车空载,分别为82.6、81.6、80.6。喷浆的评价数为83.4,而其他工况下曲线为73.7,防水板台车环境噪声为80.4。根据评价数,各工序的噪声总体关系为钻孔类>喷浆>出碴类>其他类,防水板环境台车与出碴类的类似,该关系等同于噪声控制的优先级。

基于上述隧道噪声分析,提出噪声控制方案,隧道压入式风机侧小于隧道另一侧,在隧道布设设备及人员准备作业时,应尽量布设在隧道压入通风机侧。钻孔作业人员受到噪声水平高,原因是高频噪声的显著提高,且明显大于其他工序噪声,且钻孔时间较久。此外,喷浆作业的高频噪声也较大,建议长时间作业人员应佩戴抑制高频噪声的耳塞,同时在管理上,应杜绝吸烟,以加强个人健康防护。长大隧道声场相当于扩散声场,由直达声及混响声叠加形成[28],由防水板台车噪声处噪声分析,整个声场的主要噪声来源于多台风机的噪声叠加,可通过增加吸声材料,减小防水板台车区域环境噪声。