流水機(jī)組法管片混凝土振搗噪聲控制技術(shù)

陳永敬, 劉臻真, 郭 巖, 王義朋

(1.中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司，北京 102400；2.中安綠創(chuàng)(北京)職業(yè)衛(wèi)生建設(shè)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 102400)

目前盾構(gòu)管片生產(chǎn)主要采用流水機(jī)組法和固定臺(tái)座法兩種生產(chǎn)方式，附著式振動(dòng)器振搗是流水機(jī)組法管片生產(chǎn)常用方法，它通過振動(dòng)器的工作帶動(dòng)模型振動(dòng)來完成混凝土的密實(shí)。這種作業(yè)方式生產(chǎn)效率高、施工質(zhì)量穩(wěn)定，普遍被管片生產(chǎn)單位所采用，但相對(duì)于插入式振搗，會(huì)產(chǎn)生更大的振動(dòng)噪聲，特別是對(duì)于大直徑盾構(gòu)管片模具而言，振動(dòng)器附著數(shù)量高達(dá)8個(gè)，振搗過程中模具附近產(chǎn)生噪聲高達(dá)127 dB(A)。研究前，振動(dòng)室采取砌筑磚墻、粘貼吸聲棉、安裝模具進(jìn)出提升門等方式進(jìn)行封堵，由于不能做到完全封堵、吸音棉效果有限、隔振措施不到位等原因，振動(dòng)區(qū)附近及操作室內(nèi)，噪聲仍然達(dá)到高達(dá)100 dB(A)以上。長(zhǎng)期強(qiáng)噪聲作業(yè)不僅可以干擾工作效率，易造成安全事故的發(fā)生[1-2]，還能對(duì)人的聽覺系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和心腦血管系統(tǒng)造成重要影響[3]。

本文研究依托北京東六環(huán)(京哈高速—潞苑北大街)改造工程盾構(gòu)隧道盾構(gòu)管片施工開展，考慮同類聲源的頻譜特性和噪聲強(qiáng)度，結(jié)合吸聲、消聲、隔聲以及阻尼減振等方式，通過合理設(shè)計(jì)使作業(yè)環(huán)境達(dá)到噪聲治理標(biāo)準(zhǔn)。東六環(huán)隧道是目前國(guó)內(nèi)直徑最大的盾構(gòu)隧道，該隧道管片外徑15 400 mm、厚度650 mm、寬度2 000 mm，單塊管片最大重量17.8 t，采用C60高強(qiáng)混凝土預(yù)制，配備8個(gè)高頻振動(dòng)器進(jìn)行振搗。

1 噪聲源識(shí)別

盾構(gòu)管片混凝土振搗工序振動(dòng)包括3個(gè)方面：混凝土料斗的側(cè)面電動(dòng)振動(dòng)器產(chǎn)生的撞擊、振動(dòng)器與管片模具之間的撞擊以及模具與軌道之間的撞擊。撞擊過程產(chǎn)生的機(jī)械噪聲一部分是振動(dòng)器工作時(shí)直接撞擊產(chǎn)生的，另一部分是撞擊導(dǎo)致管片模板振動(dòng)產(chǎn)生的二次噪聲，此部分噪聲的特性與振動(dòng)臺(tái)工作振動(dòng)頻率振幅及鋼模大小有關(guān)。

同類生產(chǎn)線噪聲測(cè)量類比數(shù)據(jù)顯示，澆筑振動(dòng)時(shí)，設(shè)備近場(chǎng)噪聲為104.9 dB(A)；混凝土料斗下料時(shí)，設(shè)備近場(chǎng)噪聲為105.5 dB(A)。各噪聲數(shù)據(jù)的頻譜見圖1。

圖1 各級(jí)噪聲頻譜分布

通過圖1可以看出，噪聲整體呈寬頻特性，聲能量主要集中在中、低頻區(qū)域，并在100 Hz和125 Hz出現(xiàn)峰值，高頻區(qū)域聲能量也不能忽視。由于中、低頻噪聲傳播特性為穿透力強(qiáng)、空氣吸收能力較弱、容易產(chǎn)生繞射等現(xiàn)象，影響范圍很廣，屬于比較難治理的噪聲源。

2 噪聲控制目標(biāo)及原理

2.1 治理目標(biāo)

根據(jù)《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值第2部分：物理因素》(GBZ2.2-2019),對(duì)于生產(chǎn)車間每周工作5 d、每天工作8 h的工人，穩(wěn)態(tài)噪聲限值為85 dB(A)，非穩(wěn)態(tài)噪聲等效聲級(jí)的限值為85 dB(A)。

結(jié)合(GBZ2.2-2019)和員工的作業(yè)班制情況，最終設(shè)計(jì)目標(biāo)確定為振搗室外1 m處噪聲低于85 dB(A)、操作室內(nèi)噪聲低于80 dB(A)，這樣可以大大提高員工的作業(yè)聲環(huán)境質(zhì)量，減少聲暴露。

2.2 理論依據(jù)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[4-6]，分別采用隔聲、消聲、吸聲和阻尼減振等方式進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)。

2.2.1 隔聲

單層勻質(zhì)構(gòu)件和雙層構(gòu)件隔聲量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式采用公式(1)和公式(2)，無論是單層結(jié)構(gòu)還是雙層結(jié)構(gòu)，其隔聲特性受到共振和吻合效應(yīng)的影響，通過設(shè)計(jì)，盡量使隔聲所要求的頻率避開共振頻率f0和吻合效應(yīng)頻率fc。

R單=16lgM+14lgf-29

(1)

R雙=16lg[(M1+M2)f]-30+ΔR

(2)

式中：R單、R雙為隔聲量(dB)；M為單層壁單位面積質(zhì)量(kg/m2)；M1和M2為兩個(gè)單層壁單位面積質(zhì)量(kg/m2)；f為入射波頻率(Hz)；ΔR為空氣層附加隔聲量(dB)。

對(duì)于多個(gè)構(gòu)件組成的隔聲墻的組合隔聲量采用公式(3)～公式(5)計(jì)算：

(3)

(4)

(5)

2.2.2 消聲

對(duì)所有的空氣動(dòng)力性噪聲統(tǒng)一采用消聲治理措施，噪聲源采取消聲治理后，要求既要有適宜的消聲量(即聲學(xué)性能)，同時(shí)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行不能有明顯的影響(即良好的空氣動(dòng)力性能)。消聲器是一種既能使噪聲得到有效的衰減又能保證氣流正常通過的一種設(shè)備。阻性消聲器消聲量參考公式(6)和公式(7)計(jì)算：

(6)

(7)

式中:ΔL為消聲量(dB)；P為消聲器斷面周長(zhǎng)(m)；L消聲器有效長(zhǎng)度(m)；S消聲器通道橫截面積(m2)；α0為法向吸聲系數(shù)。

2.2.3 吸聲

在噪聲源周圍設(shè)置隔聲圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)壁面上做必要的吸聲處理(加工機(jī)內(nèi)部)，不但可有效加強(qiáng)隔聲圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔聲量，而且可降低室內(nèi)的混響聲達(dá)3～5 dB(A)，同時(shí)改善操作人員的操作環(huán)境，起到一定的勞動(dòng)保護(hù)作用。房間內(nèi)的平均吸聲系數(shù)按照公式(8)計(jì)算：

(8)

式中:Sn為各面面積(m2)；αn為各面的吸聲系數(shù)。

2.2.4 阻尼減振降噪

通過運(yùn)用基礎(chǔ)與設(shè)備間安裝的隔振元件由于彈性變形和阻尼的作用、使振動(dòng)能量消耗減小振動(dòng)的傳遞這一原理，減小噪聲。

3 噪聲隔離裝置的設(shè)計(jì)

3.1 總體方案

采用以隔聲為主其他各種綜合治理措施為輔的方案是降低工作場(chǎng)所噪聲強(qiáng)度的重要途徑[7-8]。研究表明，隔聲裝置的隔聲能力取決于其形狀和尺寸、結(jié)構(gòu)剛性、開口面積、隔聲材料的隔聲量、罩內(nèi)平均吸聲系數(shù)等多種因素[9]。本研究將振搗室與振搗操作室分開，振搗設(shè)備設(shè)計(jì)單獨(dú)的隔聲罩，操作人員在隔聲觀察室操作，以此達(dá)到保護(hù)設(shè)備操作人員和降低該設(shè)備對(duì)整個(gè)車間聲環(huán)境影響的效果。本研究方案見圖2,左側(cè)為隔聲罩，右側(cè)為隔聲觀察室。

圖2 隔聲裝置設(shè)計(jì)(單位：mm)

為使得相應(yīng)隔聲設(shè)計(jì)能達(dá)成預(yù)期目標(biāo)，在建設(shè)過程中應(yīng)當(dāng)注意到防止縫隙和孔洞漏聲，做好軌道底部與地面的縫隙封堵，門窗等薄弱處采用粘貼毛氈類吸音材料或者軟橡膠條進(jìn)行封堵。

3.1.1 隔聲罩設(shè)計(jì)

振搗設(shè)備隔聲罩的設(shè)計(jì)綜合降噪量R≥25 dB(A)，外形尺寸為9.0 m×6.1 m×3.8 m，隔聲罩墻面采用240 mm磚墻和50 mm厚吸隔聲復(fù)合結(jié)構(gòu)，復(fù)合隔聲量≥52 dB(A)，內(nèi)側(cè)吸聲系數(shù)0.9。隔聲罩管道模具軌道進(jìn)出口分別設(shè)置自動(dòng)隔聲提升門(2.36 m×2.2 m)，隔聲量≥25 dB(A)；隔聲罩頂部采用100 mm吸隔聲板材，并設(shè)置自動(dòng)推拉門(2.3 m×2.3 m)，隔聲量≥30 dB(A)，方便混凝土料車卸料。南側(cè)提升門墻面設(shè)置一道隔聲量≥35 dB(A)的進(jìn)出隔聲門(0.8 m×2.0 m)，由于隔聲罩提升門和自動(dòng)推拉門開合頻繁，不考慮散熱通風(fēng)。

在本研究中為了阻斷振動(dòng)臺(tái)與生產(chǎn)線的連接，隔聲罩底部設(shè)計(jì)了獨(dú)立的振動(dòng)臺(tái)，同時(shí)振動(dòng)臺(tái)上下支架之間設(shè)計(jì)多個(gè)橡膠氣囊，振動(dòng)時(shí)氣囊頂起，減少對(duì)地面的沖擊力。獨(dú)立振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 隔聲罩底部獨(dú)立振動(dòng)臺(tái)

3.1.2 隔聲觀察室設(shè)計(jì)

隔聲觀察室設(shè)計(jì)綜合降噪量R≥30 dB(A)，外形尺寸為9.0 m×2.8 m×2.6 m，觀察室面向振搗設(shè)備面設(shè)置隔聲量≥45 dB(A)的雙道夾膠玻璃作為觀察窗(1.75 m×2.0 m)。南北兩側(cè)設(shè)置兩道隔聲量≥35 dB(A)的進(jìn)出隔聲門(1.2 m×2.2 m)、照明系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)。本研究中隔聲觀察室由于有人員存在，按照每人新風(fēng)量30 m3/h核算，同時(shí)通風(fēng)口加裝消聲器，消聲量≥20 dB(A)。

3.2 聲學(xué)核算與治理效果評(píng)價(jià)

3.2.1 隔聲罩各墻面隔聲核算

隔聲罩內(nèi)平均吸聲系數(shù)根據(jù)各構(gòu)件的面積和吸聲系數(shù)按照公式(8)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。隔聲罩各墻面實(shí)際隔聲量計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 隔聲罩內(nèi)平均吸聲系數(shù)計(jì)算

表2 隔聲罩各墻面隔聲計(jì)算結(jié)果

3.2.2 隔聲觀察室降噪核算

表3 隔聲觀察室平均吸聲系數(shù)計(jì)算結(jié)果

隔聲觀察室內(nèi)設(shè)計(jì)一臺(tái)通風(fēng)口片式消聲器，片間距100 mm，片高度為400 mm，有效長(zhǎng)度為800mm，片吸聲系數(shù)α0為0.8，根據(jù)公式(6)計(jì)算φ(α0)為1.66。當(dāng)α0≥0.6，φ(α0)計(jì)算值遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值，根據(jù)文獻(xiàn)[4]推薦使用經(jīng)驗(yàn)值1.2，再利用公式(6)計(jì)算消聲量為24 dB(A)。

3.3 噪聲控制效果

綜上取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備噪聲值為105 dB(A)。隔聲觀察室內(nèi)觀察窗面隔聲量為32.8 dB(A)，室內(nèi)噪聲計(jì)算值為72.2 dB(A)；隔聲罩提升門面隔聲量為23.1 dB(A)，設(shè)備外噪聲計(jì)算值為81.9 dB(A)；隔聲罩頂面隔聲量為22.9 dB(A)，頂面外噪聲計(jì)算值為82.1 dB(A)，經(jīng)計(jì)算噪聲設(shè)計(jì)能達(dá)到預(yù)期要求。

該項(xiàng)目進(jìn)行工程實(shí)施后，隔聲罩內(nèi)測(cè)試噪聲水平為108 dB(A)，隔聲觀察室內(nèi)噪聲水平為76 dB(A)。隔聲罩提升門1 m測(cè)點(diǎn)噪聲水平為84.3 dB(A)，隔聲罩頂面1 m處測(cè)點(diǎn)噪聲水平為84.1 dB(A)。總體實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)室外墻1 m處噪聲量均在85 dB(A)以下，隔聲觀察室可達(dá)到80 (A)以下的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本研究實(shí)施的隔聲間和隔聲觀察室見圖4。

圖4 隔聲罩與隔聲觀察室實(shí)物

4 結(jié)束語

通過對(duì)北京東六環(huán)改造工程管片振動(dòng)室隔振室噪聲研究和應(yīng)用實(shí)踐，成功解決了流水機(jī)組法管片生產(chǎn)振動(dòng)噪聲大的難題，使操作室內(nèi)作業(yè)人員的噪聲暴露符合職業(yè)健康要求，實(shí)際測(cè)量結(jié)果為振動(dòng)室外墻1 m處噪聲量均在85 dB(A)以下，隔聲觀察室可達(dá)到80 (A)以下，且無振動(dòng)和共振，人員能夠正常交流，大大提高了作業(yè)環(huán)境質(zhì)量。

該噪聲控制技術(shù)的成功應(yīng)用，為流水機(jī)組法盾構(gòu)管片生產(chǎn)噪聲治理提供了具有實(shí)際意義的解決方案，為其他混凝土預(yù)制產(chǎn)品生產(chǎn)降噪提供了參考方向。未來隨著企業(yè)對(duì)于作業(yè)環(huán)境要求的重視程度不斷提升，噪聲控制技術(shù)必將被更多生產(chǎn)單位所推廣使用。