铁路隧道噪声产生原因与处理措施分析

张俊丽ZHANG Jun-li

（苏州市环科环保技术发展有限公司，苏州 215100）

0 引言

近年来，随着我国交通基础设施的不断完善，隧道建设也迎来了大规模的发展[1-3]。在隧道施工过程中，尤其是铁路隧道施工，会对环境造成一定的影响[4-5]，比如土地资源破坏、水土流失、噪声污染、空气污染等。其中，噪声污染被认为是铁路隧道内最严重的污染之一。噪声不仅会使人的听力损失，健康也会受到威胁。隧道洞内同一工序的长时间作业以及多种工序的交叉作业，使得作业人员长时间暴露在高强度的噪声环境中。有研究表明，当噪声达到140dB 时，会对听力产生永久性的损伤，除此之外，噪声对神经系统、心理方面、视觉器官、心血管系统、生殖系统、以及消化、免疫系统均会产生不同程度的影响[6]。由于隧道结构设计不合理，在运营期间高速列车进洞产生的噪声影响乘客的舒适感，并严重干扰隧道口旁民众的生产和生活。因此，铁路隧道噪声的治理已成为隧道工程中亟需解决的问题。

高昕[6]阐述了噪声对人体产生的危害，总结了隧道施工时洞内噪声的主要来源，将噪声进行了等级划分，最后提出了隧道降噪施工的具体方案以及降低隧道噪声的有效措施；马世伟等[7]总结了铁路隧道各种工序作业时产生的主要危害源，发现钻孔、爆破、喷射混凝土等工序产生的噪声强度超过国家的限值，认为下一步应严格控制隧道职业病危害，加强个体防护和职业健康体检，并开展适用于隧道降噪的技术科学研究；周健[8]依托某特长公路隧道工程，采用现场测试的手段对钻爆法隧道内各个工序施工期间产生的噪声进行了测试，分析了噪声在隧道内的传播规律以及危害范围，最后提出相应措施，保证了隧道内施工人员的安全；敖翔[9]认为铁路隧道施工会造成植被污染、水体污染、空气污染和噪声污染，并提出了针对以上问题的治理措施；王武刚[10]通过光面爆破、控制用药量、使用电子数码雷管的微差爆破等措施，对控制洞内爆破产生的震动和噪声具有良好的效果。

基于此，本文归纳总结铁路隧道施工过程中和后期运营时产生噪声的主要原因，对洞内钻孔、通风、找顶等施工工序产生噪声的强度及其影响范围，以及后期运营时高速列车进洞时产生的微气压波进行了分析，并根据以上问题提出了针对性措施，以期为今后铁路隧道噪声治理提供一定的参考和借鉴。

1 铁路隧道噪声产生原因

在矿山法隧道施工中，隧道不同里程位置处于不同的施工阶段，同一工序的长时间持续作业或同一时间段内多种工序交叉作业会在隧道内产生较大的噪声。经过分析可知，隧道施工期间产生噪声的工序主要包括钻孔、爆破、出渣以及洞内通风等。在隧道建成后高速列车进洞时由于微气压波的存在也会产生较大的噪声。同露天相比，由于隧道属于半密闭空间，洞内噪声持续时间长，强度大，且完全消散需要较长时间，在相同条件下隧道噪声会使人的反应更为强烈，不仅危害工作人员的身心健康，还严重影响着附近居民的日常起居。噪声产生原因如图1 所示，隧道施工不同场景相关声级如表1 所示。

表1 隧道施工不同场景相关声级

图1 噪声产生原因

1.1 钻孔

超前小导管注浆、安装锁脚锚杆、爆破时安装炸药等工序均需要进行钻孔作业，主要分为人工钻孔和机械钻孔，钻孔时电机运转以及机械与作业面的摩擦会产生较大的噪声，是隧道内噪声的主要来源之一。

1.2 爆破

爆破开挖是目前矿山法隧道施工最常见方法之一，由表1 可知，爆破产生的噪声要远远高于其他情况，其最显著特点是持续时间长，强度大。在爆破过程中，会产生巨大的冲击波，并且如果炸药单耗、单孔装药量和一次起爆总药量过大，爆破设计参数不合理或者爆破的时间和顺序控制不当等原因，会使爆炸产生的振动信号和声波叠加，对围岩有较大的扰动，并产生脉冲型高噪声，对隧道内作业人员的危害较大。

1.3 通风

隧道爆破开挖和后期投入使用阶段洞内均会产生较高浓度的污染物，如果无法及时的排出洞外，会产生严重的生产事故，因此需要布置通风机进行洞内外空气交换，为隧道内提供新鲜空气。隧道内风机类型主要包括轴流式风机、射流式风机和离心式风机，由于通风量、流量大、转速高，所需的风机功率大，风机运行时产生的噪声会很大。风机噪声主要有电机噪声、叶轮噪声和气流噪声三部分，其中电机噪声和叶轮噪声都由风机本体产生，而气流噪声主要产生于风机进出风口。

1.4 出碴

隧道爆破产生的废渣需要尽快运输到洞外指定地点以免占用洞内空间，出渣时需要装载机、挖掘机和自卸车配合使用。机械过载、相邻间距过近以及车辆运输过程中的急刹车、鸣笛、超速等均会产生较大的噪声。

1.5 找顶

找顶是在爆破完成后和初期支护施作前，对隧道顶部的危岩进行处理，以保证掌子面附近施工人员的安全。找顶排险作业使用的主要机械为履带式挖掘机，在找顶过程中机械与作业面的摩擦、碰撞、石块破碎以及危石的脱落会产生一定的噪声。

1.6 微气压波

隧道属于管状半封闭的长空间结构，不利于声场的扩散衰减。当高速列车进入隧道时，列车前方会产生压缩波，列车后方形成膨胀波。压缩波沿着隧道向前传播，在隧道出口处压缩波的一部分向进口反射成为膨胀波，同时另一部分会以脉冲波的形式从隧道出口向周围辐射，此脉冲波被称为微气压波。压缩波、膨胀波、微气压波均以声速传播。微气压波的存在不仅影响乘客的舒适度，使乘客产生耳鸣头晕的症状，而且破坏隧道沿线周围的环境。特别是当隧道出入口在城区附近时，列车进出隧道所产生的微气压波对周围环境的影响将更为明显。

根据参考文献[8]，对隧道施工期间钻孔、通风和找顶时洞内产生的噪声进行分析，如图2 所示。由图可知，人工钻孔、机械钻孔、无障碍找顶作业以及轴流风机运转四种情况下，隧道洞内均产生了较大的噪声。四种情况下，在噪声源处产生的噪声分别为114dB、103dB、94dB 和88dB，随着远离噪声源，噪声逐渐减小。人工钻孔产生的噪声最大，在距离噪声源175m 处仍有86dB 的噪声，机械钻孔次之，在距离噪声源100m 处噪声低于85dB。轴流风机运转时噪声源附近噪声小，但随着远离噪声源，噪声的衰减程度较小，而无障碍找顶时噪声源附近噪声大于轴流风机，但随着距离增大，噪声快速减小，两者分别在远离噪声源85m 和60m 处噪声低于危险临界值85dB。

图2 不同施工工序产生的噪声

2 铁路隧道噪声的治理措施

由调查数据显示[6]，某隧道工程施工单位中受噪声影响导致听力下降的人员占比24．3%，噪声污染已经被列入了劳保及环保项目。因此，控制隧道内噪声污染，减轻对作业人员的危害以及生态环境的影响，具有十分重要的作用。

2.1 新型降噪设备的使用与研发

经对比发现，国产设备所产生的噪声高出进口设备约10dB 的强度，旧设备所产生的噪声高于新设备约5dB 的强度。在洞内连续施工作业中，所用机械的噪声应当低85dB[6]，而根据第二章分析可知，采用人工钻孔、机械钻孔、找顶作业以及轴流风机运转期间，在距离噪声源50m外噪声仍高于危险临界值85dB。因此，为了降低噪声强度，可从施工机械方面着手，从根源上降低噪声强度。

在施工机械选型时，应选择性能优良、类型适当的工程机械，防止机械超限；实际施工时，应根据机械操作规程操作机械，避免出现操作失误，减小机械噪声；定期对施工机械实施维修、保养，确保机械处于最佳运行状态，降低机械运转噪声；开展低噪声机械的研发，并应将噪声性能作为购置施工设备的重要参考指标。

2.2 爆破设计优化

针对爆破产生的冲击波以及噪声，从根源上进行解决，进行爆破设计的优化。控制炸药单耗、单孔装药量和一次起爆总药量，合理布置炸药孔间距，尽量选择乳化炸药和低密度炸药装填掘进眼和槽眼，确保填塞质量和长度，周边眼应当以低速爆破；采用微差爆破技术，实施多段毫秒延期爆破，严格控制爆破的时间和顺序，减少爆炸叠加。大量的工程实践已经证实，选择相邻两段爆破间隔的非电毫秒雷管应保持50ms 的爆破间距[6]，此时爆破产生的振动波强度降低，在保证爆破效果的同时，对于噪声的控制有很好的效果。

2.3 噪声隔离技术

结合现场实际情况，设置必要的吸声隔声装置，以有效降低噪声污染。对隧道使用高密度聚乙烯隔音板进行噪声隔离。这种隔音板具有较好的吸声效果，可以有效地降低噪声传播。在施工期间以及列车进洞期间，隔音板被放置在铁路两侧，形成了一个屏障，遮挡了噪声，如图3所示。

图3 铁路隧道两侧隔音板

对于爆破时产生的冲击波，可选用若干阻尼和挡板单元组成的装置[10]，其中阻尼装置由阻尼棉帘加隔音高压水帘相互配合组成，阻尼棉帘与隔音高压水帘交错布置，并沿隧道纵向于洞口段范围全断面布置，该装置可起到阻隔爆破飞石以及阻隔、缓冲爆破冲击波的目的，阻尼装置如图4 所示。

图4 阻尼装置示意

2.4 防护工具的使用

加强对施工作业人员安全培训，提高自身防范意识。向从事隧道内施工的人员进行防护品的发放，掌握防噪设施的佩戴方式，通过使用听力防护设施以减少耳部以及听力所受噪声损伤，尽量避免因噪声而导致职业病的发生。具体施工中，常用的功效较好的有耳罩、耳塞等防噪用品，结合隧道施工实际状况，海绵耳塞可将噪声由40dB 降至30dB，能将高频噪声很好地隔离，噪声防护效果显著。

2.5 隧道结构优化

为消除微气压波引起的音爆现象，目前可采用喇叭型洞口、隧道壁开孔、增大孔径减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气压波最简单、最有效和使用最多的方法。高速铁路隧道在隧道入口处设置缓冲段，使隧道口径逐步变化，越是接近隧道口，隧道口径越大，呈现喇叭形，并利用隧道中的分支坑道分流空气压缩波，起到缓冲作用，从而使压力波变化缓慢，如图5 所示。

图5 喇叭状隧道口

3 结论

本文归纳总结了铁路隧道施工期间以及运营期间产生噪声的原因，分析了隧道钻孔、通风、找顶等施工工序产生噪声的强度及其影响范围，得到如下结论：①人工钻孔的方式产生的噪声最大，且影响范围最远，建议采用机械式钻孔，尽量减少作业面施工人员。采用最先进的施工设备和技术来减少噪声污染，提高施工效率及安全性。开展低噪声机械的研发，并应将噪声性能作为购置施工设备的重要参考指标。②对于铁路隧道施工时产生的噪声，应采取爆破设计优化、设置吸声隔声装置等措施，并强制洞内作业人员进行防噪设施的佩戴，加强安全培训，提高作业人员的防噪意识。③优化隧道的结构形式，将隧道出入口处的结构设置为“喇叭口状”，使隧道口径逐步变化，并利用隧道中的分支坑道分流空气压缩波，从而起到缓冲作用，减小微气压波对车内乘客以及周围居民的影响。