鐵路隧道噪聲產生原因與處理措施分析

張俊麗ZHANG Jun-li

（蘇州市環科環保技術發展有限公司，蘇州 215100）

0 引言

近年來，隨著我國交通基礎設施的不斷完善，隧道建設也迎來了大規模的發展[1-3]。在隧道施工過程中，尤其是鐵路隧道施工，會對環境造成一定的影響[4-5]，比如土地資源破壞、水土流失、噪聲污染、空氣污染等。其中，噪聲污染被認為是鐵路隧道內最嚴重的污染之一。噪聲不僅會使人的聽力損失，健康也會受到威脅。隧道洞內同一工序的長時間作業以及多種工序的交叉作業，使得作業人員長時間暴露在高強度的噪聲環境中。有研究表明，當噪聲達到140dB 時，會對聽力產生永久性的損傷，除此之外，噪聲對神經系統、心理方面、視覺器官、心血管系統、生殖系統、以及消化、免疫系統均會產生不同程度的影響[6]。由于隧道結構設計不合理，在運營期間高速列車進洞產生的噪聲影響乘客的舒適感，并嚴重干擾隧道口旁民眾的生產和生活。因此，鐵路隧道噪聲的治理已成為隧道工程中亟需解決的問題。

高昕[6]闡述了噪聲對人體產生的危害，總結了隧道施工時洞內噪聲的主要來源，將噪聲進行了等級劃分，最后提出了隧道降噪施工的具體方案以及降低隧道噪聲的有效措施；馬世偉等[7]總結了鐵路隧道各種工序作業時產生的主要危害源，發現鉆孔、爆破、噴射混凝土等工序產生的噪聲強度超過國家的限值，認為下一步應嚴格控制隧道職業病危害，加強個體防護和職業健康體檢，并開展適用于隧道降噪的技術科學研究；周健[8]依托某特長公路隧道工程，采用現場測試的手段對鉆爆法隧道內各個工序施工期間產生的噪聲進行了測試，分析了噪聲在隧道內的傳播規律以及危害范圍，最后提出相應措施，保證了隧道內施工人員的安全；敖翔[9]認為鐵路隧道施工會造成植被污染、水體污染、空氣污染和噪聲污染，并提出了針對以上問題的治理措施；王武剛[10]通過光面爆破、控制用藥量、使用電子數碼雷管的微差爆破等措施，對控制洞內爆破產生的震動和噪聲具有良好的效果。

基于此，本文歸納總結鐵路隧道施工過程中和后期運營時產生噪聲的主要原因，對洞內鉆孔、通風、找頂等施工工序產生噪聲的強度及其影響范圍，以及后期運營時高速列車進洞時產生的微氣壓波進行了分析，并根據以上問題提出了針對性措施，以期為今后鐵路隧道噪聲治理提供一定的參考和借鑒。

1 鐵路隧道噪聲產生原因

在礦山法隧道施工中，隧道不同里程位置處于不同的施工階段，同一工序的長時間持續作業或同一時間段內多種工序交叉作業會在隧道內產生較大的噪聲。經過分析可知，隧道施工期間產生噪聲的工序主要包括鉆孔、爆破、出渣以及洞內通風等。在隧道建成后高速列車進洞時由于微氣壓波的存在也會產生較大的噪聲。同露天相比，由于隧道屬于半密閉空間，洞內噪聲持續時間長，強度大，且完全消散需要較長時間，在相同條件下隧道噪聲會使人的反應更為強烈，不僅危害工作人員的身心健康，還嚴重影響著附近居民的日常起居。噪聲產生原因如圖1 所示，隧道施工不同場景相關聲級如表1 所示。

表1 隧道施工不同場景相關聲級

圖1 噪聲產生原因

1.1 鉆孔

超前小導管注漿、安裝鎖腳錨桿、爆破時安裝炸藥等工序均需要進行鉆孔作業，主要分為人工鉆孔和機械鉆孔，鉆孔時電機運轉以及機械與作業面的摩擦會產生較大的噪聲，是隧道內噪聲的主要來源之一。

1.2 爆破

爆破開挖是目前礦山法隧道施工最常見方法之一，由表1 可知，爆破產生的噪聲要遠遠高于其他情況，其最顯著特點是持續時間長，強度大。在爆破過程中，會產生巨大的沖擊波，并且如果炸藥單耗、單孔裝藥量和一次起爆總藥量過大，爆破設計參數不合理或者爆破的時間和順序控制不當等原因，會使爆炸產生的振動信號和聲波疊加，對圍巖有較大的擾動，并產生脈沖型高噪聲，對隧道內作業人員的危害較大。

1.3 通風

隧道爆破開挖和后期投入使用階段洞內均會產生較高濃度的污染物，如果無法及時的排出洞外，會產生嚴重的生產事故，因此需要布置通風機進行洞內外空氣交換，為隧道內提供新鮮空氣。隧道內風機類型主要包括軸流式風機、射流式風機和離心式風機，由于通風量、流量大、轉速高，所需的風機功率大，風機運行時產生的噪聲會很大。風機噪聲主要有電機噪聲、葉輪噪聲和氣流噪聲三部分，其中電機噪聲和葉輪噪聲都由風機本體產生，而氣流噪聲主要產生于風機進出風口。

1.4 出碴

隧道爆破產生的廢渣需要盡快運輸到洞外指定地點以免占用洞內空間，出渣時需要裝載機、挖掘機和自卸車配合使用。機械過載、相鄰間距過近以及車輛運輸過程中的急剎車、鳴笛、超速等均會產生較大的噪聲。

1.5 找頂

找頂是在爆破完成后和初期支護施作前，對隧道頂部的危巖進行處理，以保證掌子面附近施工人員的安全。找頂排險作業使用的主要機械為履帶式挖掘機，在找頂過程中機械與作業面的摩擦、碰撞、石塊破碎以及危石的脫落會產生一定的噪聲。

1.6 微氣壓波

隧道屬于管狀半封閉的長空間結構，不利于聲場的擴散衰減。當高速列車進入隧道時，列車前方會產生壓縮波，列車后方形成膨脹波。壓縮波沿著隧道向前傳播，在隧道出口處壓縮波的一部分向進口反射成為膨脹波，同時另一部分會以脈沖波的形式從隧道出口向周圍輻射，此脈沖波被稱為微氣壓波。壓縮波、膨脹波、微氣壓波均以聲速傳播。微氣壓波的存在不僅影響乘客的舒適度，使乘客產生耳鳴頭暈的癥狀，而且破壞隧道沿線周圍的環境。特別是當隧道出入口在城區附近時，列車進出隧道所產生的微氣壓波對周圍環境的影響將更為明顯。

根據參考文獻[8]，對隧道施工期間鉆孔、通風和找頂時洞內產生的噪聲進行分析，如圖2 所示。由圖可知，人工鉆孔、機械鉆孔、無障礙找頂作業以及軸流風機運轉四種情況下，隧道洞內均產生了較大的噪聲。四種情況下，在噪聲源處產生的噪聲分別為114dB、103dB、94dB 和88dB，隨著遠離噪聲源，噪聲逐漸減小。人工鉆孔產生的噪聲最大，在距離噪聲源175m 處仍有86dB 的噪聲，機械鉆孔次之，在距離噪聲源100m 處噪聲低于85dB。軸流風機運轉時噪聲源附近噪聲小，但隨著遠離噪聲源，噪聲的衰減程度較小，而無障礙找頂時噪聲源附近噪聲大于軸流風機，但隨著距離增大，噪聲快速減小，兩者分別在遠離噪聲源85m 和60m 處噪聲低于危險臨界值85dB。

圖2 不同施工工序產生的噪聲

2 鐵路隧道噪聲的治理措施

由調查數據顯示[6]，某隧道工程施工單位中受噪聲影響導致聽力下降的人員占比24．3%，噪聲污染已經被列入了勞保及環保項目。因此，控制隧道內噪聲污染，減輕對作業人員的危害以及生態環境的影響，具有十分重要的作用。

2.1 新型降噪設備的使用與研發

經對比發現，國產設備所產生的噪聲高出進口設備約10dB 的強度，舊設備所產生的噪聲高于新設備約5dB 的強度。在洞內連續施工作業中，所用機械的噪聲應當低85dB[6]，而根據第二章分析可知，采用人工鉆孔、機械鉆孔、找頂作業以及軸流風機運轉期間，在距離噪聲源50m外噪聲仍高于危險臨界值85dB。因此，為了降低噪聲強度，可從施工機械方面著手，從根源上降低噪聲強度。

在施工機械選型時，應選擇性能優良、類型適當的工程機械，防止機械超限；實際施工時，應根據機械操作規程操作機械，避免出現操作失誤，減小機械噪聲；定期對施工機械實施維修、保養，確保機械處于最佳運行狀態，降低機械運轉噪聲；開展低噪聲機械的研發，并應將噪聲性能作為購置施工設備的重要參考指標。

2.2 爆破設計優化

針對爆破產生的沖擊波以及噪聲，從根源上進行解決，進行爆破設計的優化。控制炸藥單耗、單孔裝藥量和一次起爆總藥量，合理布置炸藥孔間距，盡量選擇乳化炸藥和低密度炸藥裝填掘進眼和槽眼，確保填塞質量和長度，周邊眼應當以低速爆破；采用微差爆破技術，實施多段毫秒延期爆破，嚴格控制爆破的時間和順序，減少爆炸疊加。大量的工程實踐已經證實，選擇相鄰兩段爆破間隔的非電毫秒雷管應保持50ms 的爆破間距[6]，此時爆破產生的振動波強度降低，在保證爆破效果的同時，對于噪聲的控制有很好的效果。

2.3 噪聲隔離技術

結合現場實際情況，設置必要的吸聲隔聲裝置，以有效降低噪聲污染。對隧道使用高密度聚乙烯隔音板進行噪聲隔離。這種隔音板具有較好的吸聲效果，可以有效地降低噪聲傳播。在施工期間以及列車進洞期間，隔音板被放置在鐵路兩側，形成了一個屏障，遮擋了噪聲，如圖3所示。

圖3 鐵路隧道兩側隔音板

對于爆破時產生的沖擊波，可選用若干阻尼和擋板單元組成的裝置[10]，其中阻尼裝置由阻尼棉簾加隔音高壓水簾相互配合組成，阻尼棉簾與隔音高壓水簾交錯布置，并沿隧道縱向于洞口段范圍全斷面布置，該裝置可起到阻隔爆破飛石以及阻隔、緩沖爆破沖擊波的目的，阻尼裝置如圖4 所示。

圖4 阻尼裝置示意

2.4 防護工具的使用

加強對施工作業人員安全培訓，提高自身防范意識。向從事隧道內施工的人員進行防護品的發放，掌握防噪設施的佩戴方式，通過使用聽力防護設施以減少耳部以及聽力所受噪聲損傷，盡量避免因噪聲而導致職業病的發生。具體施工中，常用的功效較好的有耳罩、耳塞等防噪用品，結合隧道施工實際狀況，海綿耳塞可將噪聲由40dB 降至30dB，能將高頻噪聲很好地隔離，噪聲防護效果顯著。

2.5 隧道結構優化

為消除微氣壓波引起的音爆現象，目前可采用喇叭型洞口、隧道壁開孔、增大孔徑減小隧道阻塞比等方案[11-13]，其中，采用喇叭型洞口是目前消除微氣壓波最簡單、最有效和使用最多的方法。高速鐵路隧道在隧道入口處設置緩沖段，使隧道口徑逐步變化，越是接近隧道口，隧道口徑越大，呈現喇叭形，并利用隧道中的分支坑道分流空氣壓縮波，起到緩沖作用，從而使壓力波變化緩慢，如圖5 所示。

圖5 喇叭狀隧道口

3 結論

本文歸納總結了鐵路隧道施工期間以及運營期間產生噪聲的原因，分析了隧道鉆孔、通風、找頂等施工工序產生噪聲的強度及其影響范圍，得到如下結論：①人工鉆孔的方式產生的噪聲最大，且影響范圍最遠，建議采用機械式鉆孔，盡量減少作業面施工人員。采用最先進的施工設備和技術來減少噪聲污染，提高施工效率及安全性。開展低噪聲機械的研發，并應將噪聲性能作為購置施工設備的重要參考指標。②對于鐵路隧道施工時產生的噪聲，應采取爆破設計優化、設置吸聲隔聲裝置等措施，并強制洞內作業人員進行防噪設施的佩戴，加強安全培訓，提高作業人員的防噪意識。③優化隧道的結構形式，將隧道出入口處的結構設置為“喇叭口狀”，使隧道口徑逐步變化，并利用隧道中的分支坑道分流空氣壓縮波，從而起到緩沖作用，減小微氣壓波對車內乘客以及周圍居民的影響。