JP2015180797A - トンネル工事における防音扉 - Google Patents

Abstract

【課題】軽い材料でも大きな遮音性能を発揮することができ、コスト的に安価なものとして実現できるトンネル工事における防音扉を提供する。【解決手段】防音扉１に、防音扉１に作用する圧力を低減し、防音扉１自体の振動を抑制し、その結果として防音扉１からの音響放射を抑制する開口部７を設置する。また開口部７に消音器を設置し、当該消音器の性能を、防音扉１の持つ開口部７の割合により決定し、防音扉１に許容する開口部７の割合は、開口部７に設置される当該消音器の性能により決定する。【選択図】図１

Description

本発明は、山岳トンネル工事における発破掘削の騒音低減技術として利用される防音扉の改造に関するものである。

トンネル工事において掘削に発破を使用する場合、近隣集落への振動及び騒音防止対策が大きな課題になっている。発破時の爆圧により発生する圧力波は唯一の通り道であるトンネル坑を伝播し、坑口より外部に抜け、坑口付近の建物などに振動や騒音を与える原因となる。

そこで、トンネルの坑口に低周波音ならびに騒音対策用防音扉を設け、発破時にはこの防音扉を閉じておくことによって、爆圧を閉じこめる方法が採用されている。

かかる防音扉１は図４に示すように、切羽４から離れた箇所に設置され、Ｈ型鋼等でトンネル断面にわたって骨組２を構築し、格子状の骨組に、３×６尺程度の遮音パネル３を取付けた防音壁５に、観音開きタイプの扉体６が設けられており、この扉体６によりトンネル内への機材や人員等の出入りが可能としている。

一般に、防音扉１の遮音性能は質量則および剛性則に従って向上する。理想の状態として、防音扉に隙間が無ければ、トンネル坑内の発破掘削で発生した音圧が、防音扉内面（切羽側）で扉の振動に転換され、当該振動は防音扉外面（坑外側）で再び音波に転換されて、それが外界に伝搬されると考えられる。

従来技術では、音の伝搬を仲介する防音扉の振動を低減するために、防音扉をより重く（質量則）、より硬く（剛性則）することで防音扉の遮音性能を向上させている。ここで、より重い材料、より硬い材料を利用することは、高価な材料を、施工手間をかけて利用することを意味しており、大きな遮音性能が必要な場合は、より高価で手間のかかる防音扉を設置することを意味する。

下記特許文献１もその１例であり、トンネルの坑口またはトンネル坑内に架設される防音壁と、該防音壁に設けた開口を開閉する防音扉本体からなるトンネル工事における防音扉において、前記防音壁及び防音扉本体は、厚肉の鋼材からなる遮音パネルにより構成されていること、前記遮音パネルが覆工板であり、Ｈ型鋼からなる柱の間に溶接固定されること、および、前記遮音パネルの背面に吹付けコンクリートをライニングしたものであることを特徴とするものである。
特開２０００−１７９３００号公報

特許文献１によれば、従来に比べて遮音パネルそのものの剛性が高く、防音壁及び防音扉全体の剛性を確保することができ、さらにある程度の重量を持たせることができ、理論上の低周波音に対する遮音効果は防音壁及び防音扉の剛性に比例する傾向であることから、遮音効果を十分に高めることができるとされる。

また、前記遮音パネルが覆工板であり、Ｈ型鋼からなる柱の間に溶接固定されるものとすれば、全体の水平、鉛直方向の剛性を高めることができるとされる。

さらに、前記遮音パネルの背面に吹付けコンクリートをライニングしたものであることにより、剛性とともに、コンクリートによる密閉性、面密度が高まり、さらに遮音効果が高いものになるとされる。

下記特許文献２もその一環であり、トンネルの切羽側と坑口側とを仕切る配置に設けた壁版の間に砂を充填し、騒音遮断効果を高くしたものである。
実開平５−６１３００公報

特許文献２によれば、一対の壁体間に充填した砂の重量によって空気中を伝わる振動が遮断されるものであり、両壁体間の間隔を大きくし、砂層の厚さを大きくすることによってより遮音効果が高められるとある。

このように従来の防音扉は、重い材料で隙間無く設置することで遮音性能を向上させることを基本に設計されるのが最近の主流である。

建設騒音対策協会の仮設設備用騒音対策設計・積算基準書（平成２３年版）によれば、防音扉の構造例として、（１）吸音材充填タイプ・吸音材１５０mm（グラスウール３２Kg/ｍ^３）、（２）砕石充填タイプ・吸音材１５０mm（グラスウール３２Kg/ｍ^３）、砂充填１００mm，（３）吸音材＋コンクリート充填タイプ（コンクリート厚１００mm)、（４）吸音材＋コンクリート充填タイプ（コンクリート厚１５０mm)が挙げられ、（１）＜（２）＜（３）＜（４）の関係で重く硬くなるとされる。

なお、従来の考えでは、軽い材料の防音扉では、隙間無く設置しても発破による大きな音圧で扉全体が振動し、それが原因でトータルの遮音性能が小さくなることが欠点であるとされた。

本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、軽い材料でも大きな遮音性能を発揮することができ、コスト的に安価なものとして実現できるトンネル工事における防音扉を提供することにある。また、従来の重くて硬い材料に本発明を適用することで、更なる性能の向上が図れるトンネル工事における防音扉を提供することにある。

前記目的を達成するため請求項１記載の本発明は、防音扉に、防音扉に作用する圧力を低減し、防音扉自体の振動を抑制し、その結果として防音扉からの音響放射を抑制する開口部を附設したことを要旨とするものである。

請求項１記載の本発明によれば、防音扉に意図的に開口部を設置することで防音扉に作用する圧力を低減し、防音扉自体の振動を抑制し、その結果として防音扉からの音響放射（坑外に伝搬する騒音）を抑制することができる。このように防音扉に作用する圧力を低減できるので、防音扉が軽い材料で構成されても大きな遮音性能を発揮することができ、結果的の防音扉の製造もしくは施工コストを低減することができる。

また、従来のように重くて硬い材料で防音扉を構成した場合には、本発明を適用することで、更なる防音性能の向上を図かることができる。

請求項２記載の本発明は、開口部に消音器を設置することを要旨とするものである。

請求項２記載の本発明によれば、意図的に開口部を設置することで、開口部から大きな音圧が発生するため、この開口部に消音器（マフラー）を設置することで、防音扉全体の遮音性能を向上させることができる。

請求項３記載の本発明は、開口部に設置する消音器の性能が、防音扉の持つ開口部の割合により決定されることを要旨とするものである。

請求項３記載の本発明によれば、開口が有る場合の実験結果（図９と図１０）を用いて、全騒音のうち開口部に設置する消音器に導かれる分「音圧(4)−音圧(6)」を開口率を条件として見積もることができ、ゆえに最適な消音器の性能を選択することができるようになる。

請求項４記載の本発明は、防音扉に許容する開口部の割合が、開口部に設置される消音器の性能により決定されることを要旨とするものである。

請求項４記載の本発明によれば、請求項３の発明とは逆に、先に特定の性能を有する消音器が選択されている場合に、その性能で負担可能な分が「音圧(4)−音圧(6)」となるような扉の板厚や開口率の組み合わせを、開口が有る場合の実験結果（図９と図１０）を用いて見出すことができるようになる。

以上述べたように本発明のトンネル工事における防音扉は、軽い材料でも大きな遮音性能を発揮することができ、コスト的に安価なものとして実現でき、重くて硬い材料で防音扉を構成した場合には、更なる防音性能の向上を図ることができるものである。

以下、図面について本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明のトンネル工事における防音扉の１実施形態を示す正面図、図２は同上斜視図で、前記概要を示す図４と同一構成要素には同一参照符号を付したものである。

防音扉１は図４に示すように、切羽から離れた箇所に設置され、Ｈ型鋼等でトンネル断面にわたって骨組２を構築し、格子状の骨組に、３×６尺程度の遮音パネル３を取付けて防音壁５が構成され、防音壁５にトンネル内への機材や人員等の出入りのための観音開きタイプの扉体６、開戸形式の扉体６′が設けられている。

防音壁５は、Ｈ型鋼からなる支保工にデッキプレートと称されている鋼波板を張り付けて構成し、内部にグラスウールの遮音材を充填し、分割されたパネル形式としないものもある。

本発明は、防音扉１に作用する圧力を低減し、防音扉１自体の振動を抑制し、その結果として防音扉からの音響放射を抑制する開口部７を附設した。

開口部７はそのために該防音扉１に特別に付設するものでも、もしくは、ベルトコンベアならびに風管部等の貫通路としている開口部などを利用するものでもよい。

そして開口部７を設ける位置も、防音壁５を含める防音扉１の内方であれば特に限定はなく、図示のように扉体６の脇などもその一例である。

また、開口部７を設けることにより、防音扉１の構成は、軽い材料で形成することができ、前記従来例のような砂やコンクリート充填を省略するか、または従来に比べて薄いものとした。

なお他の実施形態として、防音扉１の構成を砂やコンクリート充填などによる重くて硬い材料によるものとすることもできる。その場合でも、本発明を適用することで、更なる防音性能の向上が図れる。

図示は省略するが、防音扉１は掘削成形されたトンネルの切羽側と坑口側とを一対として２基の防音扉１が直列方向に設置される。

図３は本発明の効果を確認するための測定結果で、２基の防音扉１が直列方向に設置されているが、測定は坑外に面した防音扉を対象とし、当該防音扉１の開口部７を開閉することの効果を確認した。

その結果、開口部７を開放すれば、防音扉１に作用する音圧が開口部から逃げ、防音扉１の振動が低減することが確認された。（開口部からの音圧を避けられる防音扉１の正面で測定した遮音性能が向上していることから導かれる。）

以上の本発明の設計事項となる開口部７の仕様（位置、数、面積等）および消音器の仕様（形式、数、対象周波数等）は、実験による経験則、及び、机上計算や計算機シミュレーション等で決定することができる。

なお、開口部７から大きな音圧が逃げていることもあわせて確認された。すなわち、開口部７からの音圧を処理できれば軽くて軟らかい防音扉１でも大きな遮音性能を有することが可能となる。

そこで、本発明は開口部７に消音器８を設置する。この開口部７に設置する消音器８は、内燃機関のダクトに設置するマフラーと同様の従来技術を適用することが可能であり、吸音型消音器、リアクティブ型消音器ならびにアクティブ型消音器などが有る。また、特定の周波数にしか効果を発揮しない消音器を並列または直列に接続することで、広い周波数範囲に対応させることも可能である。

本発明の効果を確認するための模型実験を示す。開口を有する防音扉を模したものとして表１に示す開口率と板厚を持つ塩化ビニル製円盤模型を用意し、これを実験ケースとする。前記防音扉の模型は、図５に示すトンネル模型に装着され、その遮音性能が測定される。ここでトンネル模型は塩化ビニル製の筒で構成し、前記防音扉の模型をその一端に装着するとともに、他端には発破を模した音を発するSP（スピーカー）を配置したものとする。

発破を模した音源として下記表２に示す音源種を使用する。

図６は測定の概念を示す説明図である。音圧は、扉の６０mm手前中心部で計測した音圧(2)と、扉の１００mm背面中心部で計測した音圧(4)について、音源種については１００Hzのトーンバースト波に着目して、以下のとおり検討した。

データの図示はしないが、開口率が大きくなるほど、扉の内側（SP側）の音圧が開口部から解放されやすく、音圧(2)は小さくなる。また、扉の板厚が大きい（扉の剛性が大きい）ほど反射率が高く、音圧(2)は大きくなる。ここで、音圧(2)は扉の固有振動に大きく影響を受けるので、扉の固有周波数を別に評価しておき、その周波数付近では傾向が特殊となることに留意する必要がある。

開口による坑内の音圧低減効果は、物理量で最大２０％程度であり、ｄＢ換算で最大２．５ｄＢである。

ここでもデータの図示はしないが、音圧(4)の結果から、開口によって音が漏れ出てくるため、開口率が大きいほど扉の遮音性能が悪くなっている。

また、開口が無い場合は、扉の剛性が高いほど遮音性能が大きく向上するが、開口が少しでもあれば、扉の剛性による遮音性能が大きく損なわれる。

つぎに「音圧(2)−音圧(4)」ならびに「音圧(2)−音圧(6)」を利用して扉の遮音性能について考察する。ここで音圧(6)とは振動(6)から式（１）を用いて等価換算した音響放射である。
SPL=Lva-20log₁₀f+10log₁₀k+10log₁₀S+30.6
ここに、SPL：音圧レベル(dB)、ｆ：周波数(Hz)、ｋ：音響放射係数、S：面積

「音圧(2)−音圧(4)」で示す遮音性能は、開口部を含めた扉全体の遮音性能を表すもので、いっぽう「音圧(2)−音圧(6)」で示すのは扉の振動に起因する音響放射、言い換えると開口部の音漏れを全て消音器で処理解消できたときの扉全体の遮音性能を表すものである。

ところで前記説明に用いた図６は、説明上一部簡略化したものである。正確に扉前後でのエネルギーの保存関係を図示すると図７、図８のとおりとなる。図７は扉に開口部がない場合、図８は扉に開口部がある場合を表している。ここでは、図６では簡略化で省略されていた、扉による反射、扉振動による放射に至るまでの透過・吸収を明記している。

図７で説明すると、基本原理として、開口部のない扉では、入射する原騒音の一部が扉で反射する。残りは扉に入る成分で、扉自身による吸収と扉の振動に変換され透過した分が、再び扉外面で音波となり放射される。

ここでおよそ、入射=反射＋吸収＋放射のエネルギー保存関係がある（式２）。また、前記遮音性「音圧(2)−音圧(4)」に対応するものは（入射＋反射）−放射である。

続いて図８で説明するが、扉に開口部を設けると、扉に妨げられずに外部に解放される成分が発生する。これにより前記式２のエネルギー保存関係は入射=反射＋解放＋吸収＋放射となり前記遮音性「音圧(2)−音圧(4)」に対応するものは（入射＋反射）−（放射＋解放）となる。

図９、図１０に測定結果のグラフを示す。図９は「音圧(2)−音圧(4)」による遮音性能、図１０は「音圧(2)−音圧(6)」による遮音性能を示すものである。

次に「音圧(2)−音圧(6)」から、開口によって扉からの放射すなわち扉振動が確実に低減していることが把握できる。これは、開口によって扉に作用する加振力エネルギー（音圧(2)）が小さくなることに起因している。

すなわち、エネルギー保存関係において解放を設けると、入射による内側圧力の上昇がその分緩和され、扉に入る成分が小さくなり、放射が小さくなる。

ところで本発明のようにサイレンサー（消音器８）を用いて解放を別途捕捉する前提では、遮音性の評価に解放を加味しない。すなわち、放射を小さくし、それと引き換えに発生する解放は遮音性評価に加味しないでよいとなれば、全体の遮音性能は明らかに向上する。

結局、本発明のように開口から漏れてくる音圧を消音器８によって小さくすることができれば、扉の性能が向上することが証明された。

現在のところ、確かめられた開口による放射の低減効果は、最大の開口率８％でも平均３ｄＢ程度と見込まれる。

物理的には、開口率が大きいほど振動低減効果が大きくなる。しかし、開口が有る場合の実験結果の比較から、開口率１％〜８％において振動低減効果に大きな差を認めない一方で、扉全体の遮音性能はそれに比べて大きく異なる結果となっている。すなわち８％の開口を有する扉は効果向上の割りに解放される音圧が大きくなるため、消音器選定の面からは不利となることが予想される。

このようにして開口部７に設置する消音器８の性能は防音扉１に対する開口部７の面積割合により決定することができる。すなわち、消音器８が負担しなくてはならないエネルギー量は開口部７の大きさにより決めることができる。

また、消音器８の性能が予め定まっており、その消音器８に応じて防音扉１に開口部７を設けることも可能であり、開口部７に設置する消音器の性能により防音扉１に対する開口部７の割合を決定する。

以上本発明は、単独の防音扉だけでなく、任意の離隔で設置された２基以上の防音扉群にも各々効果を発揮するものである。

また、軽くて軟らかい防音扉ではなく、重くて硬い材料で防音扉を構成した場合でも、更なる防音性能の向上を図ることが可能となる。

本発明のトンネル工事における防音扉の１実施形態を示す正面図である。 本発明のトンネル工事における防音扉の１実施形態を示す斜視図である。 本発明の効果を確認するための測定結果のグラフである。 トンネル工事における防音扉の概要を示す斜視図である。 発明の効果を確認するための実験装置の説明図である。 発明の効果を確認するための実験装置の概念図その１である。 発明の効果を確認するための実験装置の概念図その２である。 発明の効果を確認するための実験装置の概念図その３である。 扉模型の遮音性能を示すグラフその１である。 扉模型の遮音性能を示すグラフその２である。

１…防音扉 ２…骨組
３…遮音パネル ４…切羽
５…防音壁 ６、６′…扉体
７…開口部 ８…消音器

Claims (4)

1. 防音扉に、防音扉に作用する圧力を低減し、防音扉自体の振動を抑制し、その結果として防音扉からの音響放射を抑制する開口部を附設したことを特徴とするトンネル工事における防音扉。
2. 開口部に消音器を設置する請求項１記載のトンネル工事における防音扉。
3. 開口部に設置する消音器の性能が、防音扉の持つ開口部の割合により決定される請求項２記載のトンネル工事における防音扉。
4. 防音扉に許容する開口部の割合が、開口部に設置される消音器の性能により決定される請求項２記載のトンネル工事における防音扉。
   
   
   
   

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