张振伟，侯万钧，黄云峰，褚作勇
(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232000；
2.河北工程大学建筑与艺术学院，河北 邯郸 056000；
3.天津大学建筑学院，天津 300072)
受城市地形地貌的影响，越来越多的城市交通采用隧道的形式优化城市道路网。城市隧道的交通功能主要包括机动车通行、非机动车通行、行人通行三种功能。对于人车混行的城市隧道，其内部的交通噪声经过隧道壁多次反射、叠加，将对隧道内的行人听觉感官造成较大干扰，增加交通事故发生概率。当隧道内发生事故时，交通噪声会降低隧道内的语言清晰度，影响人员安全疏散[1]。此外，当机动车从行人旁边通过时交通噪声声压级将骤增，极有可能对行人的听力造成不可逆转的损伤。相关研究表明，当噪声在60～80 dB(A)时人开始感到烦躁，当噪声在80～90 dB(A)时人的神经细胞受损，当噪声在90～100 dB(A)时人的听力受损[2-3]。因此，为了保护市民的身心健康和城市隧道内的交通安全，在各地区进行城市更新建设时研究城市隧道的声环境特点和隧道内部交通噪声治理措施是十分必要的。
本文以人车混行的淮南市洞山隧道为研究对象，使用RTA840双通道实时分析仪测试了隧道外部、口部、内部交通噪声的声压级(dB(A))、频谱两种数据，分析了隧道外部、口部、内部的声环境特点[4-5]。
淮南市洞山隧道建于2007年，隧道横穿舜耕山，连接淮南主城区、田家庵区和开发区山南新区，是淮南市融入合肥都市圈的主要通道。洞山隧道双线长度均为916 m，其设计为左右分离式曲线隧道，每条隧道断面包括3条机动车道、1条非机动车与人行共用道、1条检修道，单洞隧道洞内净宽14.5 m，隧道断面如图1所示。隧道内洞顶采用铁蓝色防火涂料喷涂；
非机动车道和检修道以上4.8 m高范围采用青灰白色专用隧道装饰板，分四幅横向安装。非机动车道板镶贴天然花岗岩面板。
图1 洞山隧道断面Fig.1 Cross section of Dongshan tunnel
隧道内的交通噪声主要由机动车产生，为研究机动车噪声对行人的影响，本文将声学测试的测点布置在非机动车道上靠近机动车道一侧。此外为了更加全面地研究从隧道外部到隧道内部交通噪声的变化规律，将各个测点间隔15 m布置，其中A1、A2、A3测点位于隧道外部，A4测点位于隧道口处，A5、A6、A7、A8测点位于隧道内部。测试时测点高度为距离非机动车道地面1.2 m。测点布置图如图2所示。
图2 测试点布置平面图Fig.2 Layout plan graph of test points
2022年3月5日～6日对洞山隧道东侧单洞隧道进行了声学测试，测试时间段为上午9∶00～11∶00，此时间段内交通无拥堵，车流密度变化较小并呈现持续稳定的特征，车流量约为每分钟24辆，车速集中在50～60 km·h-1之间。测试期间天气为晴天、无风，平均气温为15℃，空气相对湿度为68.2%(testo635温湿度仪)。测试现场照片如图3所示。
图3 测试场景照片Fig.3 Photos of the test scenes
1.1 交通噪声等效声压级、频谱测试与分析
为了研究洞山隧道外部、口部、内部的交通噪声变化规律，分别在A1～A8这8个测点上测量交通噪声的等效声压级(dB(A))和频谱，每个测点连续测试20 min。测试结果如图4所示。
图4 A1～A8测点上连续20 min交通噪声等效声压级dB(A)Fig.4 Equivalent sound pressure levels dB(A)of traffic noise at measuring points A1～A8for 20 minutes
对A1～A8测点上连续20 min交通噪声等效声压级数据进行分析，由图4可知：(1)由A1～A8，位于隧道口越内侧的测点处交通噪声声压级越大。(2)交通噪声声压级变化曲线的斜率在A3～A5之间最大，说明交通噪声声压级在隧道口部变化最快。(3)A1、A2、A3点位于隧道外部，其中A1测点与A2测点声压级相差只有0.4 dB(A)，说明当距离隧道口部大于30 m时，隧道外部的交通噪声等效声压级趋于稳定，因此可将A1测点声压级作为隧道外部交通噪声等效声压级，为 72 dB(A)。(4)A5、A6、A7、A8点位于隧道内部，其中A7测点与A8测点声压级数值相差只有0.3 dB(A)，说明当距离隧道口部大于45 m时，隧道内部的交通噪声等效声压级趋于稳定，因此可将A8测点声压级数值作为隧道内部交通噪声等效声压级，为82 dB(A)。(5)隧道内部交通噪声等效声压级比隧道外等效声压级高约10 dB(A)。
选择A1、A4、A8测点上连续20 min交通噪声频谱作为研究对象分析隧道外部、口部、内部的交通噪声频谱特征，结果如图5所示。由图5分析可知：(1)城市隧道外部、口部、内部的交通噪声频谱曲线特征相似，频谱中的20～2 000 Hz频段范围内的声压级明显高于2 kHz以上的高频段的声压级，表明隧道外部、口部、内部的交通噪声均以中低频噪声为主。(2)交通噪声频谱曲线在中低频段呈“M”形，存在两个峰值和一个谷值，峰值的频率主要集中在20～80 Hz频段和500～2 000 Hz频段，谷值的频率主要集中在80～500 Hz频段。(4)交通噪声频谱在高频段的2～8 kHz范围内声压级是随着频率的增大而减小，当频率大于8 kHz时频谱的声压级变化较小，趋于平稳，并且隧道外部、口部、内部三条频谱曲线在8～20 kHz频段的声压级几乎相等，约为40 dB(A)。
图5 A1、A4、A8测点上连续20 min测量的交通噪声频谱Fig.5 Traffic noise spectrums measured for continuous 20 min at measuring points A1,A4and A8
综合以上分析可见，洞山隧道内部的交通噪声等效声压级高于80 dB(A)，会对人体的神经细胞造成损伤，需要进行噪声治理。隧道内部、口部、外部的交通噪声频谱都主要以20～2 000 Hz的频段为主，尤其在20～80 Hz和500～2 000 Hz两个频段声压级最高，需要有针对性地进行吸声降噪。
1.2 瞬时交通噪声声压级、频谱测试与分析
通过在洞山隧道内调研和统计，隧道内的车速平均在55 km·h-1，在非机动车道上的行人能明显感受到车辆从旁边通过时噪声瞬间增大，持续时间约为3 s。为研究车辆从行人旁边通过时的瞬时交通噪声影响，本文又选择隧道外部的A1、口部的A4、内部的A8这三处测点进行测试，分别测试了当车辆通过测点时3 s内的瞬时交通噪声声压级和频谱，测试时采用同一辆1.2 t三厢轿车以55 km·h-1的速度在中间车道行驶，作为交通噪声声源，在无其他车辆通过时进行测试。对这三个测点处无车经过时20 s内的背景噪声声压级和频谱进行了测试。结果如图6所示。
图6 车辆经过A1、A4、A8测点时瞬时交通噪声声压级Fig.6 Instantaneous traffic noise sound pressure levels when the vehicle passes through measuring points A1,A4and A8
对A1、A4、A8测点瞬时交通噪声和背景噪声声压级进行分析，由图6可知：(1)从整体上看隧道内部车辆的瞬时交通噪声声压级最大，隧道内部交通噪声瞬时声压级达到86 dB(A)，比隧道口部的瞬时声压级高5.9 dB(A)，比隧道外部瞬时声压级高11 dB(A)。(2)在背景噪声方面，隧道内部背景噪声声压级明显较大，测试数值为75.1 dB(A)；
隧道口部背景噪声声压级与隧道内部的噪声声压级接近，减小了2.7 dB(A)；
而隧道外部背景噪声声压级明显比隧道内部小，减小了12.2dB(A)。(3)从瞬时噪声声压级与背景噪声的差值来看，在隧道外部时差值最大，为12.1 dB(A)，隧道口部差值最小，为7.7 dB(A)，隧道内部差值居中，为10.9 dB(A)。这说明无论在隧道内部还是外部，当车辆经过时非机动车道上的交通噪声声压级均会瞬间增大10 dB(A)以上。
对A1、A4、A8测点的瞬时交通噪声和背景噪声频谱进行分析，结果分别如图7～9所示。由图7～9可知：(1)隧道外部、口部、内部各测点处的瞬时交通噪声频谱曲线与同一测点处的背景噪声频谱曲线变化趋势基本一致。(2)隧道口部A4测点和内部A8测点的瞬时交通噪声、背景噪声频谱曲线变化趋势相同，都是在20～2 000 Hz频段范围内呈现为“M”形，在高频段的2～8 kHz范围内迅速下降，在8～20 kHz频段范围内趋于稳定。(3)隧道外部A1测点的瞬时噪声、背景噪声频谱曲线在20～2 000 Hz频段范围内变化相对平缓，在高频段的变化趋势与A4、A8点相同。(4)从瞬时交通噪声频谱与背景噪声频谱的声压级差值看，三个测点处的数据都是瞬时噪声频谱在8～20 kHz频段范围内声压级增大不明显，而在20～8 000 Hz频段范围内声压级均明显增大，声压级增大5～15 dB(A)。
图7 隧道内部A8测点瞬时交通噪声和背景噪声频谱Fig.7 Spectrums of instantaneous traffic noise and background noise at the measuring point A8(inside the tunnel)
图8 隧道口部A4测点瞬时交通噪声和背景噪声频谱Fig.8 Spectrums of instantaneous traffic noise and background noise at the measuring point A4(the mouth of tunnel)
以上分析说明，当车辆从行人旁边通过时，隧道内部声环境明显比隧道外部恶劣，隧道内部的瞬时交通噪声声压级达到了86 dB(A)，比隧道内测试的交通噪声等效声压级(82 dB(A))高4 dB(A)，可见瞬时交通噪声对人耳的冲击影响不可忽略。尤其当隧道内部有连续不断的车辆从行人身旁通过时，将可能损害行人的神经细胞和听力。通过对瞬时交通噪声频谱特征分析可知，在噪声治理时应重点对20～2 000 Hz，尤其是20～80 Hz和500～2 000 Hz这两个频段进行吸声降噪。
图9 隧道外部A1测点瞬时交通噪声和背景噪声频谱Fig.9 Spectrums of instantaneous traffic noise and background noise at the measuring point A1(outside the tunnel)
通过对比分析洞山隧道外部、口部、内部的声环境测试数据，发现洞山隧道外部的交通噪声低于隧道内约10dB(A)，而隧道内部的交通噪声等效声压级和瞬时交通噪声声压级均已超过80 dB(A)，可能会对听力成损伤。本文结合测试结果和洞山隧道实际，从吸声、隔声、交通管理三个层面提出隧道内部交通噪声治理措施。
(1)在吸声降噪方面，建议将洞山隧道的普通沥青路面改造为降噪性能较好的多孔沥青路面，可有效吸收轮胎与路面摩擦产生的低中频噪声[6-8]；
利用吸声性能较好的防火喷涂对隧道顶棚进行喷涂改造，K-13B型防火吸声喷涂在500 Hz～4 kHz频段具有较好的吸声效果，可作为优选材料，喷涂厚度不小于25 mm[2-3]；
采用防火防潮性能优良的砂岩环保吸声板对隧道侧墙进行改造，该材料在125 Hz～4 kHz频段具有很好的吸声效果，侧墙吸声结构如图10所示，墙面基板为6 mm厚砂岩环保吸声板，板后覆50 mm厚玻璃棉，后空腔预留150 mm空气层[9-10]。
图10 砂岩吸声板、玻璃棉和空腔合成的侧墙结构示意图Fig.10 Structural drawing of side wall composed of sandstone sound absorbing board,glass wool and cavity
(2)根据在隔声方面，由于隧道内部的通风和防火要求，不能将洞山隧道的非机动车道与机动车道进行完全分隔改造，但是可通过在非经动车道临近机动车道的侧边增设隔声屏障的方式，将汽车通过时的瞬时交通噪声、鸣笛声等直达声和部分反射声进行反射，在非机动车道上形成声影区，降低瞬时交通噪声对人耳的冲击，如图11所示。同时为了满足非机动车道上采光照明要求及行人视觉感受不压抑，建议声屏障高度为1.8 m，并应具有较大面积的透光窗和良好的防火性能[11]。
图11 声屏障改造示意图Fig.11 Schematic diagram of sound barrier reconstruction
最后在交通管理方面，严禁车辆在隧道内鸣笛，防止高分贝瞬时噪声对行人的影响；
严格要求非机动车驾驶人佩戴头盔，头盔对人耳具有一定的保护作用；
隧道内机动车单车车速在40～80 km·h-1区间时，车速每增加1 km·h-1，噪声值平均增加0.35 dB(A)[3]，因此应严禁机动车在隧道内超速，并且将隧道内目前60 km·h-1的限速适当降低会有效降低隧道内的交通噪声。
本文通过对淮南市人车混行的洞山隧道交通噪声进行实验研究，得到以下结论：
（1）隧道内部的交通噪声等效声压级为82dB(A)，比隧道外等效声压级高10 dB(A)。
（2）隧道外部、口部、内部的交通噪声频谱曲线特征相同，在20～2 000 Hz范围内声压级较高且呈“M”形。
（3）当车辆在隧道内部从行人旁通过时，交通噪声瞬时声压级达到86 dB(A)；
瞬时噪声频谱相比于背景噪声频谱在20～8 000 Hz频段范围内声压级均有明显增大。