隧道路面的工作环境与噪声研究

隧道路面的工作环境与噪声研究

随着我国公路建设的发展，公路隧道的距离逐年增加。第二次全国公路普查数据显示,到2000年底我国公路隧道建设总长为627.7km。隧道是道路的咽喉,对交通有控制作用。而隧道路面状况对隧道内的交通舒适性和安全性影响较大。相对公路一般路段来讲,隧道内路面结构有其特殊的工作环境。隧道路面相对处于较为封闭的环境内,受阳光、雨水等因素影响较少。而且隧道内水温变化、基础状况也与一般路段不同。因此,隧道路面的使用性能以及在汽车荷载作用下的力学响应有其自身的特点。简单按照一般路段路面结构设计方法进行隧道路面结构设计不一定适应隧道路面的实际情况,可能导致设计保守或不安全。因此,需要对现有隧道路面的工作环境进行调查、分析和研究。1关于隧道内部环境目前国际上关于隧道的研究主要集中在两方面,一方面是隧道洞体本身的结构设计和施工技术,主要涉及地下工程和岩土工程;另一方面是隧道自身的环境,包括隧道通风和照明等方面。在隧道的防灾方面,针对隧道中出现的浓烟、火灾等事故,国际上对隧道的设计标准,比如通风设备的安装、出入口的设置位置和数量等进行了研究,也提出了一些设计上的推荐值。对隧道内部环境的考虑主要在噪音、污染性气体和照明3个方面。对噪音的研究始于1976年维也纳世界道路会议,报告中专门安排了一章来讨论轮胎与道路噪音问题。研究说明了轻型、重型车辆的噪音来源,但却未能阐述噪音的主要机理及路表特性与所产生的噪音之间的关系。在1983年悉尼会议上,对轮胎道路的噪音予以了较多关注,肯定了噪音与路面结构的明确关系,机理也更为明确。对降低噪音的研究主要集中在公路、高速公路及城市道路上,常用的方法是绿化林带、声屏障、低噪音路面和主动降噪音屏障。在隧道通风方面,第十八届道路会议上专设的道路隧道技术委员会考虑到各国发动机的设计、车辆的保养标准和排放污染的规则不同,提出了涉及隧道通风不同种类的规定的报告。人们普遍认为隧道交通排出的废气不可避免地会造成局部的严重污染。在隧道照明方面,世界道路协会与国际照明委员会(CIE)合作。第十八届世界道路会议以1979年维也纳会议上提出的“设计者指南”以及1983年悉尼会议采用的关于隧道照明的适宜亮度报告为基础,提出了隧道的引道和入口的照明指南。1.2隧道路面抗滑性能国内关于隧道工程的研究也主要集中在隧道洞体的结构设计和施工技术,以及隧道通风、照明等方面,隧道路面的研究对隧道工程和道路工程来说都较少涉及,隧道内路面结构和材料设计没有对应的规范和指南,在隧道路面结构设计时通常套用公路或城市道路设计规范。在现行的《公路隧道设计规范》(JTJ026-90)中,对于隧道内路面结构设计没有做任何规定,对于路面材料仅提到应符合现行公路路面设计规范的规定。我国公路养护技术规范对养护阶段隧道内的排水、消音等做出了一些定性规定。当前公路隧道内多采用水泥混凝土路面,现行公路隧道施工规范亦只谈及水泥混凝土路面,仅从洞内路面亮度而言,这无疑是正确的。但是这种路面的抗滑性能并不好。例如,贵州省某隧道内水泥混凝土路面运营两年后,路表构造深度衰减为0.1mm。虽然隧道内路面不直接经受雨水的作用,但当雨天汽车车轮将水带入隧道,可引起隧道内数十米段落路面湿滑;如隧道处于下地段,或有一定的纵坡,则路面表面水可流入隧道内。因此必须从根本上改善路面抗滑性能。在水泥混凝土路面板上加铺抗滑性能优良的沥青罩面形成复合式路面,是改进隧道路面抗滑性能的有效措施,在这方面已有一些工程实践。建议采用OGFC多孔防滑磨耗层罩面,这种沥青面层具有粗糙均匀的表面,不仅抗滑性能很好,而且具有防火和降低交通噪声的作用,行车的明视性也不错。2隧道环境调查本次调研目的是了解和获取现有隧道路面结构的特殊工作环境资料,从而为研究隧道路面结构、材料和隧道路面养护、修复提供依据。调研工作根据西部地区的气候特征,在地理上分为西南多雨地区和西北干旱地区进行。调研内容主要是对比隧道内不同位置与隧道外一般路段的温度、湿度、噪声、照明和烟气浓度等环境指标。调查的隧道路面概况见表1所列。2.1通过对隧道内空气温度的分析大气温度周期性的变化直接影响隧道内空气的温度,进而影响隧道路面的温度。对隧道内空气温度的调查主要采取以下方法。(1)数据采集方法用多功能环境仪在隧道入口、1/4处、1/2处、3/4处、隧道出口以及隧道出口外50m处测量空气温度。(2)表2列出了研究数据(3)隧道内外温度。根据初7月份调查数据显示:隧道内温度比隧道外温度偏低,并且隧道越长,天气越炎热,隧道内外温度差异越明显。例如:2002年7月29日测得重庆的中梁山隧道内外温差达2.5℃。2.2通过隧道内的空气湿度分析由于隧道的封闭作用,隧道内一般阴冷潮湿。空气的湿度对于路面材料的性能有一定的影响。(1)数据采集方法用多功能环境仪测量空气湿度。测量位置同空气温度测量位置。(2)表3列出了研究数据(3)湿度及噪声源晴天隧道内的湿度通常比隧道外湿度更大。雨天的湿度大于晴天的湿度。西南地区贵州省老猫冲隧道7月份的平均湿度为81.65%,高家岩隧道7月份的平均湿度为78.15%,西北地区青海省大坂山隧道10月份的平均湿度为57.4%。噪音影响到隧道的运行环境。就噪声源的产生类型可以分为气体噪声和固体噪声。气体噪声主要来源于汽车与路面作用产生的泵气效应。固体噪声主要来源于路面不平整而引起的轮胎和车体的震动。噪声大小与汽车发动机类型、车速、隧道内空气、路面的表面构造、路面材料及汽车轮胎相关。(1)数据采集方法用多功能环境仪测量大货车驶过时的噪声。测量位置同空气温度测量位置。(2)表4列出了研究数据(3)隧道外部有噪音隧道内的噪音要远高于隧道外的噪声,而且隧道内噪声持续时间更长,不易消散。调查发现,在隧道内部噪音从90dB衰减到80dB约30s,而隧道外部仅需2～3s。实际上,汽车进入隧道后通常车速降低,噪声理应减小,但是由于隧道的封闭作用,噪声在隧道内会产生共振、叠加现象,使得隧道内噪声更大。2.4隧道内环境污染在汽车排放的气体中,含有对人体有害的一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NO)、碳氢化合物(HC)、亚硫酸气体(SO2)化学成分和烟雾等游离粉尘,导致隧道内空气污染。通常情况下,造成身体危害的主要因素是一氧化碳,若能保证对于一氧化碳必要的通风量,其他因素就可以处于安全浓度。所以调研时,仅考虑一氧化碳的浓度。(1)数据采集方法用MultiGasMonitor在隧道入口、1/4、1/2、3/4、隧道出口以及隧道出口外50m处测量CO的浓度。(2)表5列出了搜索数据(3)co浓度的影响与隧道外相比,隧道内CO浓度明显更大。隧道中点到出口之间的CO浓度最大。有害物中一氧化碳等化学成分对人体生理产生重要的影响,而烟雾则使视野恶化,降低了车辆行驶时所需要的视距。为了保证这些物质的浓度低于隧道在使用时的有害浓度,需要进行通风。2.5隧道的排水设施隧道路面不直接受降雨的影响。但是一旦有水渗入或滴落在路面,就难以干燥,影响路面的抗滑性能。隧道内的水来自4个方面:拱顶、拱壁的渗水和滴水,雨水沿道路纵坡流入,地下水上涌,空气中水分凝聚。由于原设计中防排水设计不完善,某些隧道拱顶滴水严重,部分衬砌、水沟盖板等水泥混凝土构件严重腐蚀,其隧道路面长期处于潮湿状态。另外,具有较大纵坡的高速公路或一级公路隧道或排水不畅的路段,路面范围内的降雨来不及排出公路两侧也会流进隧道内。可以在隧道入口前设置横向盖板截水沟解决该问题。2.6隧道照明问题照明是影响长大隧道道路安全的重要因素。隧道照明与公路一般照明不同,要能保证白天习惯于外界高亮度、广视野的驾驶员进入隧道后仍能认清行走方向,必须解决好隧道照明问题。隧道照明由入口部照明、基本部照明和出口部照明构成,并设置辅助的道路接续照明。隧道照明所用的光源有低压钠灯、日光灯、水银灯等,但从经济和烟雾影响观点出发多数采用低压钠灯。在城市隧道,从色调方面考虑,使用日光灯的例子较多。(1)研究段及地质对照用多功能环境仪在隧道引入段(距入口10m)、适应段(距