JP2018066185A - 防音扉およびその設置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の間隔をあけて２基設置した防音扉である２層式扉において、個々の防音扉の遮音性能を加算した理想的な遮音性能に匹敵する性能発揮ができるようになり、投資した防音扉の効果が十分に得られる防音扉およびその設置方法を提供する。【解決手段】間隔を存して並べる扉の１次固有周波数を一致させないように異なる剛性とした２基の防音扉からなり、扉間隔は坑内側扉の１次固有周波数で決まる扉間空間の反共鳴周波数に合わせた。【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およびその設置方法に関するものである。

山岳トンネルを発破工法で掘削する場合、火薬の爆ごうによる膨張エネルギーが大きな音圧となってトンネル内の空気を伝播し、トンネル周辺地域に騒音となって伝達される。

騒音とは“人にとって不快・邪魔な音”の総称であるため騒音認識には個人差があるが、発破音は工事騒音として位置付けられており、近隣の環境保全が必要な場合は騒音対策を講じる必要がある。

近年は補助工法による地盤安定化対策技術の向上によって比較的軟弱な地山でも火薬を用いた効率的な岩盤掘削を選択することが可能となってきた。そのため、市街化地域においても発破工法が採用される場合も多く、より高度な騒音対策が要求されるようになりつつある。

トンネル工事における主な発破音対策は、空気振動の伝達経路であるトンネル空間内に防音扉を設置し、その遮音性能によって騒音を低減する方法が主流であるが、その定量的な騒音低減効果を事前に予想する解析手法は未だ確立されていない。これは、防音扉の遮音性能が、防音扉の剛性や質量、入射する発破音の周波数特性などが相互に関与した複雑な問題と考えられていることが要因であると思われる。

現実として、当該防音扉は、重くて硬い材料で坑口を塞ぐことで遮音性能を向上させることを基本に設計されている。

これは、一般に、防音扉の遮音性能は、当該扉の一次固有値より低周波側は剛性則、高周波側は質量則に従って向上することに依っている。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、扉内を伝播し、防音扉外面（坑外側）で再び音波に転換されて、それが坑外に伝播されるものと考えられる。

そこで、従来技術では、音の扉内の伝播を抑制するべく、防音扉の振動が低減する条件を与えるものとして、防音扉をより硬く（剛性則）、より重く（質量則）することで防音扉の遮音性能を向上させている。

ここで、より硬い材料、より重い材料を利用することは、高価な材料を、施工の手間をかけて利用することを意味しており、下記表１に示すように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が要求される。

図１に防音扉の構造例を示す。（１）＜（２）＜（３）＜（４）の関係で硬く重くなる。

下記特許文献も防音扉をより重く（質量則）することで防音扉の遮音性能を向上させているもので、掘削中のトンネルの切羽側と坑口側とを遮断するトンネル用防音壁において、切羽側に面した壁版と坑口側に面した壁版との間に空隙を設け、該空隙内に砂を充填した。
実開平５−６１３００号公報

防音扉の遮音性能は、防音扉を挟んで坑内側と坑外側で計測した音圧波形をオクターブバンド解析（周波数分析)し、各周波数の差分（坑内音圧−坑外音圧）を遮音性能（防音扉による低減効果）として評価している。

図２は１基の防音扉について坑内音圧と坑外音圧の測定結果を示すものである。

ところで１基の防音扉で必要な遮音性能を得ようとすると、扉の１次固有周波数では、扉の面外振動が大きくなるため、遮音性能が低下することが避けられない。

そこで、１基の防音扉で必要な遮音性能が得られない場合は、２基、３基と設置基数を増加することで対応している。

ここで、２基以上の防音扉を設置する場合は、扉間隔を離すように設置することで複数ある防音扉間の空間の共鳴に起因する性能低下を抑えられるとしているが、最適な扉間隔の決定方法には確立したものはなかった。

前記共鳴とは、例えば２基の扉の間隔が入射した音波の半波長と一致すると、２基目の扉で反射した音波が１基目に戻り再度折り返す際に、元々の音波と強めあうよう重なり合う現象である。これが起こると遮音性能は損なわれるので、２基以上の防音扉を設置する場合は、各扉間隔が共鳴を起こさない（元々の音波を打ち消しあう反共鳴の場合を含む）ようにすることが課題となる。

発破音を構成する各周波数の音はそれぞれに固有の波長を有していて、その１波長や１／２波長が二つの防音壁間の離間長とおよそ一致する場合に二つの防音壁間で共鳴が生じる。そして、この共鳴によって防音壁に大きな振動がもたらされ、その結果として遮音性能が損なわれる。

下記特許文献も２基の防音扉を設置する例であるが、トンネル工事で適用される二重防音壁であって、防音扉を備えた二つの防音壁が空間を置いて、トンネル断面を遮断するように配設されて二重防音壁を構成し、それぞれの防音壁には風管が貫通する貫通孔が設けてあり、風圧で変形自在な風管がそれぞれの貫通孔を貫通して配設されてトンネルの延伸方向に延びており、二つの防音壁の前記空間において、それぞれの防音壁に対して直交する方向に吸音材が配設されている二重防音壁である。
特開２０１６−１４８１５６号公報

前記特許文献２は２基の防音扉を備えてはいるが、扉間隔を離すように設置することで共鳴に起因する性能低下を抑える目的のものではなく、二つの防音壁の前記空間において、それぞれの防音壁に対して直交する方向に吸音材を配設しておくことで発破音を消音し、その共鳴を解消するものである。

共鳴周波数並びに反共鳴周波数では、図４並びに図５に示すとおり、入射する音波の波長と扉間隔の関係によっては、入射波と再反射波が同位相又は逆位相となり、これに対応して坑外側扉に入射する音圧が強弱変化し、扉の振動が変わる。その結果、抗外側扉から放射される音圧も強弱変化する。

図４は共鳴、図５は反共鳴周波数の場合について、各々、入射波、反射波、再反射波が模式的に記載してあり、入射波の波長と扉間隔の関係で、入射波と再反射波が同位相又は逆位相で重なり合うことで、坑外側扉に入射する音圧が強弱変化することを説明している。共鳴の場合は共鳴後の音圧が入射波のそれの倍となり、反共鳴では音圧が打ち消される。

図３に、実際の施工現場で、２基の防音扉を１８．５ｍの間隔を開けて設置した場合の、遮音性能の評価例を示す。

前記図３は、防音扉の１次固有値は不明な事例であるが、２基の扉間隔から導き出される共鳴及び反共鳴周波数に位置するところに明瞭な遮音性能の極大・極小が観察されており、現実に共鳴及び反共鳴の影響が遮音性能に寄与することがわかる。

つぎに、現実の防音扉の性能を理論に沿って理解するために、関連する諸条件を厳密にコントロール可能な模型で２基の防音扉を備えたトンネルを構成し、防音扉の遮音性能を測定する実験を行った。図６は、模型の防音扉が１基で６ｍｍ厚の場合及び１２ｍｍ厚の場合の各々の遮音性能、並びにこの２つの遮音性能を単純加算したものを示す。

２基の防音扉を設置する場合、当該２基の防音扉が相互悪影響を及ぼさず独立に性能を発揮できていれば、図６でいう、各扉の遮音性能の単純加算に相当する遮音性能が得られるはずであり、これが２基設定するうえでの第一目標となる。

図７は、模型の防音扉の剛性（厚さ）を坑内側扉６ｍｍ厚、坑外側扉１２ｍｍ厚と固定して、扉の設置間隔だけ変化させたときの、各遮音性能である。

図７は、坑内側扉６ｍｍ厚の一次固有周波数（98Hz）と扉間空間の反共鳴周波数（下記表２参照）を一致（扉間隔870mm）させれば、遮音性能が低下せず、単純加算に最も近い遮音性能が得られることを示す。

図７では、前記と反対に、坑内側扉の一次固有周波数を扉間空間の共鳴周波数と一致させると当該周波数での遮音性能が極端に低下することも確認できる。そのほか、扉間隔が相当に短い場合（すなわち、扉間空間の共鳴、反共鳴周波数が坑内側扉の一次固有周波数よりも高い周波数となる程）において、扉の１次固有周波数に起因する遮音性能の低下が抑えられないこともわかる。

しかし従来、前記模型実験で取得した知見は、２層式扉（ある所定の間隔をあけて２基設置する防音扉）の性能発揮のための原理と設計へ結び付けられておらず、従来は扉を２基設置するだけの効果を必ずしも引き出しているとはいえなかった。

本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、間隔をあけて２基設置した防音扉である２層式扉において、個々の防音扉の遮音性能を加算した理想的な遮音性能に匹敵する性能発揮ができるようになり、投資した防音扉の効果が十分に得られる防音扉およびその設置方法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、防音扉として、間隔を存して並べる扉の１次固有周波数を一致させないように異なる剛性とした２基の防音扉からなり、扉間隔は坑内側扉の１次固有周波数で決まる扉間空間の反共鳴周波数に合わせたことを要旨とするものである。

請求項２記載の本発明は、防音扉の設置方法として、２基の防音扉を設置するのに、２基の扉の１次固有周波数を一致させないように異なる剛性の扉を選択し、坑内側扉の１次固有周波数で決まる扉間空間の反共鳴周波数に合わせた扉間隔としたことを要旨とするものである。

本発明によれば、扉間隔に起因する共鳴・反共鳴現象と防音扉単体の１次固有周波数の関係に着目することで、防音扉を２基利用した防音対策（２層式防音扉）の遮音性能を最大限発揮することができる。

以上述べたように、従来は、２層式扉（ある所定の間隔をあけて２基設置する防音扉）の全体性能を発揮させるための原理解明と、これの設計への反映が不十分で、２基分の扉の性能を十分に引き出せるものではなかったが、本発明の防音扉及びその設置方法は、２層式においても、個々の防音扉の遮音性能を加算した理想的な遮音性能に匹敵する性能発揮ができるものであり、投資した防音扉の効果が十分に得られるようになる顕著な効果をもたらす。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明は防音扉について間隔をあけて２基設置する場合に、遮音性能を低下させない、すなわち、２基設置することで１基設置の遮音性能を２基分足し合わせた効果とするために、以下のことを遵守して２基の防音扉を設置するものとした。
１） ２基の扉の１次固有周波数を一致させない（異なる剛性の扉を設置する）。
２） 坑内側扉の１次固有周波数と扉間隔に起因する扉間空間の反共鳴周波数を合わせる。

このようにして、本発明は、２基の防音扉を設置するのに、２基の扉の１次固有周波数が一致しないように異なる剛性の扉を選択し、坑内側扉の１次固有周波数で決まる扉間空間の反共鳴周波数に合わせた扉間隔で設置することした。

まず、２基の扉の１次固有周波数を一致させない効果について説明する。模型実験では、図８のように、２基の扉として扉６ｍｍ厚と扉１２ｍｍ厚の２種を選択し、坑内側を扉１２ｍｍ厚、坑外側を扉６ｍｍ厚とした場合と、坑内側、坑外側ともに扉１２ｍｍ厚とした場合とを比較した。

図８によれば、坑内側、坑外側ともに同じ厚さ（扉１２ｍｍ厚）よりも、坑内側を扉１２ｍｍ厚、坑外側を扉６ｍｍ厚とした場合の方が遮音性能は向上している。この向上している部分は扉６ｍｍ厚、扉１２ｍｍ厚の固有値の間において顕著である。

これは坑内側、坑外側ともに同じ１２ｍｍ厚さとした場合は、２基の扉の１次固有周波数が一致し、坑内側扉の振動モードに対応して放射された入射音が坑口側扉に同じモードの振動を誘い、結果として２基の扉が空気層を挟んで同期振動する現象を起こし遮音性能を損なったものと理解される。厚さが異なっていれば振動モードが一致せず同期振動も起こりにくい。また振動モードが異なることで入射波と反射波が扉間の空間においてより大きな乱れを伴って混合し、撹拌的な作用による音の減衰効果（遮音効果）が大きいことも考えられる。

次に、坑内側扉の１次固有周波数と扉間隔に起因する扉間空間の反共鳴周波数を合わせる点について説明する。

図７は、模型の扉の厚さを坑内側扉６ｍｍ厚、坑外側扉１２ｍｍ厚と固定して、扉の設置間隔だけを変化させたときの、遮音性能の変化を示す。

図７は、坑内側扉６ｍｍ厚の一次固有周波数が扉間空間の反共鳴周波数（前記表２参照）となるように設定した場合では、遮音性能の低下が少ないことを示す。

図７は、坑内側扉６ｍｍ厚の一次固有周波数が扉間空間の前記と異なり共鳴周波数（前記表２参照）となるように設定した場合では、当該周波数を中心として遮音性能が極端に低下することを示す。そのほか、扉間隔が相当に短い場合（すなわち、扉間空間の共鳴、反共鳴周波数が坑内側扉の一次固有周波数よりも高い周波数となる程）において、扉の１次固有周波数に起因する遮音性能の低下は抑えられないこともわかる。

図８は、前記段落番号００４３〜００４４の共鳴／反共鳴の効果に段落番号００３９〜００４０の同期振動の効果が複合している別の例である。図８では、坑内側扉１２ｍｍ厚の１次固有周波数（164Hz）が扉間空間の反共鳴周波数（前記表２参照）となるよう設定されており、１次固有周波数で現れる遮音性能の極端な低下が生じていない（反共鳴の効果）。しかし坑内側と坑外側の扉を同一厚さ（図８では共に１２ｍｍ厚）としてしまうと、同期振動の悪影響が現れて、前期周波数より少し下側に別の新たな遮音性能低下の領域が発生してしまう。そこで坑内側と坑外側の扉を同一厚さとしない（図８では坑外側の扉を１２ｍｍ厚から６ｍｍ厚に変更する）と、この新たな遮音性能低下の領域も解消し、全般に遮音性能が改善される。

以上の模型実験による知見から、防音扉の１次固有周波数を中心とする遮音性能低下の抑制には坑内側扉の１次固有値と扉間隔で定める反共鳴設定が有効であり、いっぽう、同期振動の悪影響の解消には同一の１次固有周波数を持つ同一の厚さ（剛性）の扉としないことが有効であると判明し、且つ、個々の防音扉の遮音性能を加算した理想的な遮音性能に匹敵する性能発揮を求めるには、これら両方の対策が必須であることが理解されるに至った（図９）。

防音扉の構造例を示す説明図である。 １基の防音扉で坑内音圧と坑外音圧の測定結果を示すグラフである。 施工現場における防音扉２基設置の遮音性能を示すグラフである。 共鳴が起こる概念を示す説明図である。 反共鳴が起こる概念を示す説明図である。 １層式防音扉の模型実験結果と遮音性能の単純加算を示すグラフである。 扉間隔を変化させ共鳴・反共鳴の効果をみた模型実験結果を示すグラフである。 ２基の扉の１次固有値の一致・不一致の効果をみた模型実験結果を示すグラフである。 本発明を適用した効果が得られているケースの模型実験結果を示すグラフである。

Claims (2)

1. 間隔を存して並べる扉の１次固有周波数を一致させないように異なる剛性とした２基の防音扉からなり、
   扉間隔は坑内側扉の１次固有周波数で決まる扉間空間の反共鳴周波数に合わせたことを特徴とする防音扉。
2. ２基の防音扉を設置するのに、
   ２基の扉の１次固有周波数を一致させないように異なる剛性の扉を選び、坑内側扉の１次固有周波数で決まる扉間空間の反共鳴周波数に合わせた扉間隔で設置することを特徴とする防音扉の設置方法。