隧道路面的工作環境與噪聲研究

隨著我國公路建設的發展，公路隧道的距離逐年增加。第二次全國公路普查數據顯示,到2000年底我國公路隧道建設總長為627.7km。隧道是道路的咽喉,對交通有控制作用。而隧道路面狀況對隧道內的交通舒適性和安全性影響較大。相對公路一般路段來講,隧道內路面結構有其特殊的工作環境。隧道路面相對處于較為封閉的環境內,受陽光、雨水等因素影響較少。而且隧道內水溫變化、基礎狀況也與一般路段不同。因此,隧道路面的使用性能以及在汽車荷載作用下的力學響應有其自身的特點。簡單按照一般路段路面結構設計方法進行隧道路面結構設計不一定適應隧道路面的實際情況,可能導致設計保守或不安全。因此,需要對現有隧道路面的工作環境進行調查、分析和研究。1關于隧道內部環境目前國際上關于隧道的研究主要集中在兩方面,一方面是隧道洞體本身的結構設計和施工技術,主要涉及地下工程和巖土工程;另一方面是隧道自身的環境,包括隧道通風和照明等方面。在隧道的防災方面,針對隧道中出現的濃煙、火災等事故,國際上對隧道的設計標準,比如通風設備的安裝、出入口的設置位置和數量等進行了研究,也提出了一些設計上的推薦值。對隧道內部環境的考慮主要在噪音、污染性氣體和照明3個方面。對噪音的研究始于1976年維也納世界道路會議,報告中專門安排了一章來討論輪胎與道路噪音問題。研究說明了輕型、重型車輛的噪音來源,但卻未能闡述噪音的主要機理及路表特性與所產生的噪音之間的關系。在1983年悉尼會議上,對輪胎道路的噪音予以了較多關注,肯定了噪音與路面結構的明確關系,機理也更為明確。對降低噪音的研究主要集中在公路、高速公路及城市道路上,常用的方法是綠化林帶、聲屏障、低噪音路面和主動降噪音屏障。在隧道通風方面,第十八屆道路會議上專設的道路隧道技術委員會考慮到各國發動機的設計、車輛的保養標準和排放污染的規則不同,提出了涉及隧道通風不同種類的規定的報告。人們普遍認為隧道交通排出的廢氣不可避免地會造成局部的嚴重污染。在隧道照明方面,世界道路協會與國際照明委員會(CIE)合作。第十八屆世界道路會議以1979年維也納會議上提出的“設計者指南”以及1983年悉尼會議采用的關于隧道照明的適宜亮度報告為基礎,提出了隧道的引道和入口的照明指南。1.2隧道路面抗滑性能國內關于隧道工程的研究也主要集中在隧道洞體的結構設計和施工技術,以及隧道通風、照明等方面,隧道路面的研究對隧道工程和道路工程來說都較少涉及,隧道內路面結構和材料設計沒有對應的規范和指南,在隧道路面結構設計時通常套用公路或城市道路設計規范。在現行的《公路隧道設計規范》(JTJ026-90)中,對于隧道內路面結構設計沒有做任何規定,對于路面材料僅提到應符合現行公路路面設計規范的規定。我國公路養護技術規范對養護階段隧道內的排水、消音等做出了一些定性規定。當前公路隧道內多采用水泥混凝土路面,現行公路隧道施工規范亦只談及水泥混凝土路面,僅從洞內路面亮度而言,這無疑是正確的。但是這種路面的抗滑性能并不好。例如,貴州省某隧道內水泥混凝土路面運營兩年后,路表構造深度衰減為0.1mm。雖然隧道內路面不直接經受雨水的作用,但當雨天汽車車輪將水帶入隧道,可引起隧道內數十米段落路面濕滑;如隧道處于下地段,或有一定的縱坡,則路面表面水可流入隧道內。因此必須從根本上改善路面抗滑性能。在水泥混凝土路面板上加鋪抗滑性能優良的瀝青罩面形成復合式路面,是改進隧道路面抗滑性能的有效措施,在這方面已有一些工程實踐。建議采用OGFC多孔防滑磨耗層罩面,這種瀝青面層具有粗糙均勻的表面,不僅抗滑性能很好,而且具有防火和降低交通噪聲的作用,行車的明視性也不錯。2隧道環境調查本次調研目的是了解和獲取現有隧道路面結構的特殊工作環境資料,從而為研究隧道路面結構、材料和隧道路面養護、修復提供依據。調研工作根據西部地區的氣候特征,在地理上分為西南多雨地區和西北干旱地區進行。調研內容主要是對比隧道內不同位置與隧道外一般路段的溫度、濕度、噪聲、照明和煙氣濃度等環境指標。調查的隧道路面概況見表1所列。2.1通過對隧道內空氣溫度的分析大氣溫度周期性的變化直接影響隧道內空氣的溫度,進而影響隧道路面的溫度。對隧道內空氣溫度的調查主要采取以下方法。(1)數據采集方法用多功能環境儀在隧道入口、1/4處、1/2處、3/4處、隧道出口以及隧道出口外50m處測量空氣溫度。(2)表2列出了研究數據(3)隧道內外溫度。根據初7月份調查數據顯示:隧道內溫度比隧道外溫度偏低,并且隧道越長,天氣越炎熱,隧道內外溫度差異越明顯。例如:2002年7月29日測得重慶的中梁山隧道內外溫差達2.5℃。2.2通過隧道內的空氣濕度分析由于隧道的封閉作用,隧道內一般陰冷潮濕。空氣的濕度對于路面材料的性能有一定的影響。(1)數據采集方法用多功能環境儀測量空氣濕度。測量位置同空氣溫度測量位置。(2)表3列出了研究數據(3)濕度及噪聲源晴天隧道內的濕度通常比隧道外濕度更大。雨天的濕度大于晴天的濕度。西南地區貴州省老貓沖隧道7月份的平均濕度為81.65%,高家巖隧道7月份的平均濕度為78.15%,西北地區青海省大坂山隧道10月份的平均濕度為57.4%。噪音影響到隧道的運行環境。就噪聲源的產生類型可以分為氣體噪聲和固體噪聲。氣體噪聲主要來源于汽車與路面作用產生的泵氣效應。固體噪聲主要來源于路面不平整而引起的輪胎和車體的震動。噪聲大小與汽車發動機類型、車速、隧道內空氣、路面的表面構造、路面材料及汽車輪胎相關。(1)數據采集方法用多功能環境儀測量大貨車駛過時的噪聲。測量位置同空氣溫度測量位置。(2)表4列出了研究數據(3)隧道外部有噪音隧道內的噪音要遠高于隧道外的噪聲,而且隧道內噪聲持續時間更長,不易消散。調查發現,在隧道內部噪音從90dB衰減到80dB約30s,而隧道外部僅需2～3s。實際上,汽車進入隧道后通常車速降低,噪聲理應減小,但是由于隧道的封閉作用,噪聲在隧道內會產生共振、疊加現象,使得隧道內噪聲更大。2.4隧道內環境污染在汽車排放的氣體中,含有對人體有害的一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NO)、碳氫化合物(HC)、亞硫酸氣體(SO2)化學成分和煙霧等游離粉塵,導致隧道內空氣污染。通常情況下,造成身體危害的主要因素是一氧化碳,若能保證對于一氧化碳必要的通風量,其他因素就可以處于安全濃度。所以調研時,僅考慮一氧化碳的濃度。(1)數據采集方法用MultiGasMonitor在隧道入口、1/4、1/2、3/4、隧道出口以及隧道出口外50m處測量CO的濃度。(2)表5列出了搜索數據(3)co濃度的影響與隧道外相比,隧道內CO濃度明顯更大。隧道中點到出口之間的CO濃度最大。有害物中一氧化碳等化學成分對人體生理產生重要的影響,而煙霧則使視野惡化,降低了車輛行駛時所需要的視距。為了保證這些物質的濃度低于隧道在使用時的有害濃度,需要進行通風。2.5隧道的排水設施隧道路面不直接受降雨的影響。但是一旦有水滲入或滴落在路面,就難以干燥,影響路面的抗滑性能。隧道內的水來自4個方面:拱頂、拱壁的滲水和滴水,雨水沿道路縱坡流入,地下水上涌,空氣中水分凝聚。由于原設計中防排水設計不完善,某些隧道拱頂滴水嚴重,部分襯砌、水溝蓋板等水泥混凝土構件嚴重腐蝕,其隧道路面長期處于潮濕狀態。另外,具有較大縱坡的高速公路或一級公路隧道或排水不暢的路段,路面范圍內的降雨來不及排出公路兩側也會流進隧道內。可以在隧道入口前設置橫向蓋板截水溝解決該問題。2.6隧道照明問題照明是影響長大隧道道路安全的重要因素。隧道照明與公路一般照明不同,要能保證白天習慣于外界高亮度、廣視野的駕駛員進入隧道后仍能認清行走方向,必須解決好隧道照明問題。隧道照明由入口部照明、基本部照明和出口部照明構成,并設置輔助的道路接續照明。隧道照明所用的光源有低壓鈉燈、日光燈、水銀燈等,但從經濟和煙霧影響觀點出發多數采用低壓鈉燈。在城市隧道,從色調方面考慮,使用日光燈的例子較多。(1)研究段及地質對照用多功能環境儀在隧道引入段(距入口10m)、適應段(距