城市道路封閉式聲屏障設計方法淺議
1、引言
進行新世紀以來，隨著我國經濟建設的快速發展，我國汽車的數量也在飛速發展，城市道路、高速公路的建設進入了一個新的發展高峰。與此同時，汽車帶來的交通噪聲危害也越來越明顯。經濟要發展，土地要開發利用，居民的生活質量要提高，有效防治道路兩側的交通噪聲不僅僅是一個重要的環境問題，也是一個倍受社會關注的熱點問題。
設置聲屏障工程是控制交通噪聲的重要措施，國外對穿過市區和居住區的高速公路、鐵路、高架橋的兩側都普遍設置聲屏障，實現了其它降噪手段所不能代替的效果。美、日、法等國早在60年代就已開展了聲屏障理論的研究，并實施了許多具體工程。在1992年我國貴州省貴黃高速公路上安裝了百米試驗性聲屏障，取得了良好的降噪效果;自此開始，全國各地城市道路周邊的聲敏感區域都已設置或考慮設置聲屏障，尤其在北京聲敏感區域內各條環路、城鐵兩側更是設置了多道聲屏障工程，成為了一道道獨特的城市風景線。
在城市區域內，需引起特別注意的是城市交通干道兩側的高層建筑物，會形成城市“峽谷”效應，研究表明，平行“峽谷”由于聲反射而使該區的聲壓級相有所升高。此時，采用一般的聲屏障形式來控制交通噪聲向敏感點的輻射是十分困難的。“全封閉聲屏障”則是一個解決這類問題的典型方式，在日本、加拿大都已采用，2003年我國南京市惠民三期跨線橋上首次安裝了道路全封閉型聲屏障。這座全封閉聲屏障安裝后取得了預期的吸隔聲效果，得到了毗鄰居住樓大多數居民的認可。
“全封閉道路聲屏障”是指在路段上安裝隧道式的隔聲結構，把車輛和道路完全隔離在聲屏障內，同時也把車輛行駛時產生的噪聲及路面反射的噪聲隔離在聲屏障內，大大提高了聲屏障的隔聲效果。適用于近側有聲影響敏感目標(如靠近道路的住宅樓)的道路吸隔聲降噪采用（圖1）。
 A 普通聲屏障 |
 B 全封閉聲屏障 |
圖1 聲屏障降噪效果對比分析
現根據我單位今年自主設計并實施的北京市門頭溝區“高家園道路改造工程全封閉聲屏障工程”的實際案例（圖2），并結合目前國內外最新的研究實踐成果，初步探討城市道路中全封閉式聲屏障設計的方法和需注意的相關問題。北京市門頭溝區“高家園道路改造工程全封閉聲屏障工程”在路段K1+230~中門寺橋之間，道路東側有大嶼南路18#、19#、20#三棟多層住宅，住宅樓西山墻距道路中心線均不超過15m。根據現場實際監測和相關環境技術文件預測可知，公路建成投入運營后，住宅樓的交通噪聲干擾肯定會超過城市區域環境噪聲4類標準（晝間70dB，夜間55dB）5dB以上。因此，經過業主及相關專家研究決定，一致同意采取建造隧道式“全封閉式聲屏障”的措施來治理該敏感點處的未來交通噪聲的污染。該全封閉聲屏障是由立柱鋼梁等鋼結構及屏體四周透光的隔聲材料組成，全封閉聲屏障的頂部設計成拱形，兩側設計為直立式，同時兼顧景觀效果、結構安全（抗風載荷、抗雪載荷等）、雨水的排放等因素。安裝完成全封閉聲屏障后，該敏感點交通噪聲對道路兩側居民住宅樓的影響晝間低于70dB（A），夜間低于55 dB（A），達到了國家相關的環境標準。
 圖2高家園道路改造工程全封閉聲屏障工程實照 |
2、全封閉聲屏障的聲學設計
隧道式“全封閉聲屏障”將整個路面都罩在聲屏障內，經過該路面的車輛噪聲和路面的反射噪聲都被包羅在聲屏障內。噪聲向聲屏障外的傳播除了兩端開口處的直接傳播，只能通過隔聲構件向外透射，對于道路一側的居民住宅樓來說，受到的噪聲影響僅僅是噪聲通過隔聲構件的透射部分，沒有直達噪聲和繞射噪聲的影響，可取得最佳的隔聲效果。
根據該道路的實際情況，大家一致認為這3幢居民住宅樓正對著的道路上安裝隧道式“全封閉聲屏障”是降低該路段交通噪聲唯一有效的工程性治理措施，它可以把經過該路段的車輛噪聲和路面反射噪聲基本上隔離在聲屏障內，最大程度地降低了車輛噪聲對鄰近居民住宅樓的不利影響。當然由于地基情況復雜等多種原因，全封閉聲屏障的隔聲結構將受到一定的限制，因此全封閉聲屏障的隔聲效果也受到一定的限制。但是對于該敏感點來說，要較好地解決交通噪聲的環境影響問題，在該處設置全封閉聲屏障是唯一有效的噪聲治理技術措施。
北京市門頭溝區“高家園道路改造工程全封閉聲屏障工程”已于2008年5月全部施工安裝完畢，安裝完成后已通車運行，并于2008年6月正式交付使用。現場對全封閉聲屏障的實際隔聲效果進行了監測，聲屏障外1 m處的晝間的等效聲級可低于70 dB(A)，夜間的等效聲級低于55dB(A)，隔聲量能達到15 dB(A)左右，道路外10米左右的居民住宅樓窗外1 米處夜間等效聲級已接近50dB(A)，符合《城市區域環境噪聲標準》(GB3096-1993)中的4類標準要求。
3、 全封閉聲屏障的結構設計
由于該聲屏障項目基礎所在地下地基中壓埋了多條市政管道，限制了屏障基礎的開挖深度和寬度，經多次研究討論，最后屏障基礎選用了混凝土“條形橫縱連梁框架”基礎形式（圖3），一般情況下這種基礎形式對于城市道路地下管線密布的復雜地下情況十分適用。
 圖3 混凝土“條形橫縱連梁框架”基礎 |
全封閉聲屏障上部采用了輕鋼結構型式的鋼梁和立柱門式剛架，梁和立柱都采用Q235B材質H型鋼焊接加工而成，并使用優質結構鋼為梁和立柱的制作用鋼，在確保荷載安全的同時減少全封閉聲屏障的重量，降低全封閉聲屏障對道路基礎結構的荷載力。由于全封閉聲屏障是在道路主體建造時同時進行,聲屏障的支承結構鋼立柱底板采取“預埋式”的地腳螺栓固定，并與安全防護欄的底板“合二為一”，即在屏障基礎現澆時將預埋件地腳螺栓預埋混凝土中，待混凝土達到強度要求后全封閉聲屏障和安全防護欄共用支承結構鋼立柱，這種立柱設計思路在我單位設計的“杭州灣大橋引橋段高速公路聲屏障設計”中已成功采用過。
全封閉聲屏障的全部上部安裝材料(包括型鋼立柱)均為工廠預制料，運到現場后一次拼裝到位。全封閉聲屏障采用全輕鋼組合結構，兩側的隔聲結構由固定在道路防撞墻上鋼立柱支承，頂部的隔聲結構由固定在鋼立柱上的鋼梁支承，鋼立柱將采用地腳螺栓的方法固定在道路兩側的防撞墻上。支承鋼結構設計為便于施工安裝，構件均在工廠預制，現場安裝連接，最大限度地減少現場的施工安裝工程量，考慮到全封閉聲屏障是設置在道路上的構筑物，支承鋼結構的設計須充分考慮了結構的牢固性。
4、 全封閉聲屏障的安全設計
城市中的全封閉聲屏障是設置在城市道路上的市政降噪設施,全封閉聲屏障在施工安裝過程中及建成運行后，道路上都有著較大的車流量，尤其是該位置是國道必經之路，有不少是功率較大、載重量較大的重型貨車或大客車，為了使全封閉聲屏障建成后能夠安全使用，在設計中采取了以下的安全措施。
4.1 凈空高度及防撞裝置
全封閉聲屏障內凈空高度4.5m，為了防止超高車輛撞擊聲屏障,在聲屏障的南北兩端外10 m處設計了防撞裝置，防撞裝置的凈空高度為4.2 m，并在聲屏障前50米處設置顯著的限高警示牌。
4.2 屏體緊急出口
由于全封閉聲屏障整體上必須處于封閉狀態，屏障內車輛及人員一旦出現危急情況，如果屏障體整體連續長度太長，后果將不堪設想，故對于超過一定長度的全封閉聲屏障應考慮設置屏體緊急出口，并設計明顯標志引導。由于本段聲屏障整體長度只有100m，屏障內即使出現緊急情況人員也可安全從兩段逃離，故本項目未考慮緊急出口的設置。
4.3 采光及照明
全封閉聲屏障內按照有關的設計規范設計聲屏障內的采光，照明燈具根據北京市道路照明燈的設計要求進行設計，考慮到晝間的安全行車,設計中把全封閉聲屏障內的照明燈設計為晝夜常開,但全封閉聲屏障安裝完成后，由于采用的透明隔聲板通透性良好，聲屏障內在一般的氣象條件下能見度比較好，所以一般情況下晝間都不需要燈光照明。
4.4 安全及行車安全
全封閉聲屏障的安全主要考慮風載、雪載等自然因素，側面也設置防撞裝置防范意外因素，道路防撞墻上的防撞欄桿與聲屏障安裝同時進行,并建議了交通管理部門在全封閉聲屏障內的路面和防撞墻內側設置一定的反光標志,確保車輛在聲屏障內安全行駛。
全封閉聲屏障的頂部設計為拱形，兩側面設計為直立式，這一構造形式主要是為了兼顧景觀、結構安全(風載、雪載等)、雨水的排放等因素。全封閉聲屏障的側面采用改性PVC陽光板隔聲材料固定在H型鋼的主立柱和副立柱的側面，用特制的自攻釘加膠墊固定，屏障頂部同樣采用改性PVC陽光板，具有良好的采光作用，并與周圍的景觀協調，也有較好的防腐和防雨性能，安裝和密封也比較方便。
5、全封閉聲屏障的材料選型與設計
國內外研究表明，軌道交通噪聲主要成分以中低頻率為主，其中1000 Hz以下部分是最主要頻率范圍，等效頻率約500Hz。針對這一特點，本工程選用在125 -- 2 000 Hz頻段范圍內降噪效果明顯的改性PVC陽光板隔音材料，該范圍1/3倍頻帶平均隔聲量不低于28dB。除了考慮聲學效果，隔聲屏體還需要滿足力學性能和物理性能要求，結構強度滿足結構荷載要求，有一定的防腐蝕、防浸、防塵、抗老化和抗紫外的性能。根據這些要求，本工程大部分隔聲材料選用6mm厚的改性PVC陽光板，具有較好的抗紫外線功能，抗紫外年限15年以上，透光率80%以上。
6、全封閉聲屏障的其它關聯問題設計
6.1屏體內部通風
因全封閉聲屏障的長度只有100m，而且由南向北有較大的坡度，聲屏障的截面又是設計為拱形，汽車尾氣在聲屏障內不易積累，所以沒有采取機械排風的措施，避免了機械排風裝置的能耗和噪聲影響問題。在全封閉聲屏障建成后沒有發現汽車尾氣積累的現象。
6.2 屏體表面積灰
聲屏障內的地面、防撞墻上及隔聲構件上的積灰較為嚴重，應該定期進行聲屏障的積灰清潔工作，初步方案為采用水車定期沖洗。東側的居民反映屏障修建好以后，除了噪聲影響明顯降低外，家里的灰塵影響也好多了。
6.3屏體內部溫室效應
由于全封閉聲屏障全部由透明的隔聲板材構成，必然會在屏蔽的道路區間內形成巨大“溫室效應”，在氣溫比較高的季節、行人在該區間內通過應該采取必要的保護措施，比如在該區域的人行道設置不透光遮陽；由于本段屏障總體長度并不太長，所以“溫室效應”的對行車和行人不會有太大影響。
7、結語與思考
綜上所述，目前已建造的全封閉聲屏障工程，從噪聲控制的技術角度分析和實測的噪聲數據證明，可以取得較佳的隔聲效果，隔聲效果比單側或雙側乃至半封閉聲屏障有明顯的提高，可以使交通噪聲對道路兩側環境的影響低于4類標準，可以基本上解決高架道路經過密集居住點的噪聲影響問題，本工程可為同類型的道路降噪治理工程提供了一些可借鑒的經驗。全封閉聲屏障作為聲屏障的一種構造形式，以其降噪量高的優越性己經逐漸被國內外認可和接受，并在日后城市道路、軌道交通和高架道路上必將得到廣泛的應用。
同時，我們也應看到，雖然全封閉聲屏障可以有效地降低道路橋上車輛噪聲的傳播輻射影響，但全封閉聲屏障的建造畢竟是無奈的或是被動的，投資也是可觀的，而且可能在日常的運行中還會出現一些未知問題。我們的社會正處在快速發展變化的時期，汽車的擁有量迅速增加和城市道路的快速改造，交通噪聲的影響已成為新世紀城市環境中最主要的公害，汽車、道路的發展與噪聲環境影響的關系如何協調處理、在城市鄰近居民住宅區的道路改造中交通噪聲的環境影響如何預測和合理解決、通過城市居民住宅區的交通主干線的交通噪聲環境影響如何評價和解決等一系列問題，都值得我們在今后一定時期內進行認真的進行思考。
參考文獻
[1] 曹偉.城市道路聲屏障發展述評，鄭州大學學報 (自然科學版)1998第1期；
[2] 吳霖.城市道路聲屏障的研究與進展，合肥工業大學學報(自然科學版)2003第5期；
[3] 呂玉恒. 道路橋上一定長度全封閉聲屏障成果通過市級鑒定[J]. 應用聲學, 2005,(06)
[4] 王庭佛, 徐劍. 道路全封閉聲屏障的實踐[J]. 環境工程, 2004,(06)
[5] 張彬.宋雷鳴, 張新華. 城市道路聲屏障研究與設計[J]. 噪聲與振動控制, 2004,(04)
[6] 馬娜. 上海軌道交通明珠線二期全封閉聲屏障工程設計[J]. 現代城市軌道交通,2005,(03)
[7] 劉萬祥.王會. 聲屏障施工及安裝技術[J]. 西部探礦工程, 2005,(05) .
[8] 交通部公路科學研究院.高家園道路改造工程聲屏障工程施工圖設計，2008.4.
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