城市道路封闭式声屏障设计方法浅议
1、引言
进行新世纪以来，随着我国经济建设的快速发展，我国汽车的数量也在飞速发展，城市道路、高速公路的建设进入了一个新的发展高峰。与此同时，汽车带来的交通噪声危害也越来越明显。经济要发展，土地要开发利用，居民的生活质量要提高，有效防治道路两侧的交通噪声不仅仅是一个重要的环境问题，也是一个倍受社会关注的热点问题。
设置声屏障工程是控制交通噪声的重要措施，国外对穿过市区和居住区的高速公路、铁路、高架桥的两侧都普遍设置声屏障，实现了其它降噪手段所不能代替的效果。美、日、法等国早在60年代就已开展了声屏障理论的研究，并实施了许多具体工程。在1992年我国贵州省贵黄高速公路上安装了百米试验性声屏障，取得了良好的降噪效果;自此开始，全国各地城市道路周边的声敏感区域都已设置或考虑设置声屏障，尤其在北京声敏感区域内各条环路、城铁两侧更是设置了多道声屏障工程，成为了一道道独特的城市风景线。
在城市区域内，需引起特别注意的是城市交通干道两侧的高层建筑物，会形成城市“峡谷”效应，研究表明，平行“峡谷”由于声反射而使该区的声压级相有所升高。此时，采用一般的声屏障形式来控制交通噪声向敏感点的辐射是十分困难的。“全封闭声屏障”则是一个解决这类问题的典型方式，在日本、加拿大都已采用，2003年我国南京市惠民三期跨线桥上首次安装了道路全封闭型声屏障。这座全封闭声屏障安装后取得了预期的吸隔声效果，得到了毗邻居住楼大多数居民的认可。
“全封闭道路声屏障”是指在路段上安装隧道式的隔声结构，把车辆和道路完全隔离在声屏障内，同时也把车辆行驶时产生的噪声及路面反射的噪声隔离在声屏障内，大大提高了声屏障的隔声效果。适用于近侧有声影响敏感目标(如靠近道路的住宅楼)的道路吸隔声降噪采用（图1）。
 A 普通声屏障 |
 B 全封闭声屏障 |
图1 声屏障降噪效果对比分析
现根据我单位今年自主设计并实施的北京市门头沟区“高家园道路改造工程全封闭声屏障工程”的实际案例（图2），并结合目前国内外最新的研究实践成果，初步探讨城市道路中全封闭式声屏障设计的方法和需注意的相关问题。北京市门头沟区“高家园道路改造工程全封闭声屏障工程”在路段K1+230~中门寺桥之间，道路东侧有大屿南路18#、19#、20#三栋多层住宅，住宅楼西山墙距道路中心线均不超过15m。根据现场实际监测和相关环境技术文件预测可知，公路建成投入运营后，住宅楼的交通噪声干扰肯定会超过城市区域环境噪声4类标准（昼间70dB，夜间55dB）5dB以上。因此，经过业主及相关专家研究决定，一致同意采取建造隧道式“全封闭式声屏障”的措施来治理该敏感点处的未来交通噪声的污染。该全封闭声屏障是由立柱钢梁等钢结构及屏体四周透光的隔声材料组成，全封闭声屏障的顶部设计成拱形，两侧设计为直立式，同时兼顾景观效果、结构安全（抗风载荷、抗雪载荷等）、雨水的排放等因素。安装完成全封闭声屏障后，该敏感点交通噪声对道路两侧居民住宅楼的影响昼间低于70dB（A），夜间低于55 dB（A），达到了国家相关的环境标准。
 图2高家园道路改造工程全封闭声屏障工程实照 |
2、全封闭声屏障的声学设计
隧道式“全封闭声屏障”将整个路面都罩在声屏障内，经过该路面的车辆噪声和路面的反射噪声都被包罗在声屏障内。噪声向声屏障外的传播除了两端开口处的直接传播，只能通过隔声构件向外透射，对于道路一侧的居民住宅楼来说，受到的噪声影响仅仅是噪声通过隔声构件的透射部分，没有直达噪声和绕射噪声的影响，可取得最佳的隔声效果。
根据该道路的实际情况，大家一致认为这3幢居民住宅楼正对着的道路上安装隧道式“全封闭声屏障”是降低该路段交通噪声唯一有效的工程性治理措施，它可以把经过该路段的车辆噪声和路面反射噪声基本上隔离在声屏障内，最大程度地降低了车辆噪声对邻近居民住宅楼的不利影响。当然由于地基情况复杂等多种原因，全封闭声屏障的隔声结构将受到一定的限制，因此全封闭声屏障的隔声效果也受到一定的限制。但是对于该敏感点来说，要较好地解决交通噪声的环境影响问题，在该处设置全封闭声屏障是唯一有效的噪声治理技术措施。
北京市门头沟区“高家园道路改造工程全封闭声屏障工程”已于2008年5月全部施工安装完毕，安装完成后已通车运行，并于2008年6月正式交付使用。现场对全封闭声屏障的实际隔声效果进行了监测，声屏障外1 m处的昼间的等效声级可低于70 dB(A)，夜间的等效声级低于55dB(A)，隔声量能达到15 dB(A)左右，道路外10米左右的居民住宅楼窗外1 米处夜间等效声级已接近50dB(A)，符合《城市区域环境噪声标准》(GB3096-1993)中的4类标准要求。
3、 全封闭声屏障的结构设计
由于该声屏障项目基础所在地下地基中压埋了多条市政管道，限制了屏障基础的开挖深度和宽度，经多次研究讨论，最后屏障基础选用了混凝土“条形横纵连梁框架”基础形式（图3），一般情况下这种基础形式对于城市道路地下管线密布的复杂地下情况十分适用。
 图3 混凝土“条形横纵连梁框架”基础 |
全封闭声屏障上部采用了轻钢结构型式的钢梁和立柱门式刚架，梁和立柱都采用Q235B材质H型钢焊接加工而成，并使用优质结构钢为梁和立柱的制作用钢，在确保荷载安全的同时减少全封闭声屏障的重量，降低全封闭声屏障对道路基础结构的荷载力。由于全封闭声屏障是在道路主体建造时同时进行,声屏障的支承结构钢立柱底板采取“预埋式”的地脚螺栓固定，并与安全防护栏的底板“合二为一”，即在屏障基础现浇时将预埋件地脚螺栓预埋混凝土中，待混凝土达到强度要求后全封闭声屏障和安全防护栏共用支承结构钢立柱，这种立柱设计思路在我单位设计的“杭州湾大桥引桥段高速公路声屏障设计”中已成功采用过。
全封闭声屏障的全部上部安装材料(包括型钢立柱)均为工厂预制料，运到现场后一次拼装到位。全封闭声屏障采用全轻钢组合结构，两侧的隔声结构由固定在道路防撞墙上钢立柱支承，顶部的隔声结构由固定在钢立柱上的钢梁支承，钢立柱将采用地脚螺栓的方法固定在道路两侧的防撞墙上。支承钢结构设计为便于施工安装，构件均在工厂预制，现场安装连接，最大限度地减少现场的施工安装工程量，考虑到全封闭声屏障是设置在道路上的构筑物，支承钢结构的设计须充分考虑了结构的牢固性。
4、 全封闭声屏障的安全设计
城市中的全封闭声屏障是设置在城市道路上的市政降噪设施,全封闭声屏障在施工安装过程中及建成运行后，道路上都有着较大的车流量，尤其是该位置是国道必经之路，有不少是功率较大、载重量较大的重型货车或大客车，为了使全封闭声屏障建成后能够安全使用，在设计中采取了以下的安全措施。
4.1 净空高度及防撞装置
全封闭声屏障内净空高度4.5m，为了防止超高车辆撞击声屏障,在声屏障的南北两端外10 m处设计了防撞装置，防撞装置的净空高度为4.2 m，并在声屏障前50米处设置显著的限高警示牌。
4.2 屏体紧急出口
由于全封闭声屏障整体上必须处于封闭状态，屏障内车辆及人员一旦出现危急情况，如果屏障体整体连续长度太长，后果将不堪设想，故对于超过一定长度的全封闭声屏障应考虑设置屏体紧急出口，并设计明显标志引导。由于本段声屏障整体长度只有100m，屏障内即使出现紧急情况人员也可安全从两段逃离，故本项目未考虑紧急出口的设置。
4.3 采光及照明
全封闭声屏障内按照有关的设计规范设计声屏障内的采光，照明灯具根据北京市道路照明灯的设计要求进行设计，考虑到昼间的安全行车,设计中把全封闭声屏障内的照明灯设计为昼夜常开,但全封闭声屏障安装完成后，由于采用的透明隔声板通透性良好，声屏障内在一般的气象条件下能见度比较好，所以一般情况下昼间都不需要灯光照明。
4.4 安全及行车安全
全封闭声屏障的安全主要考虑风载、雪载等自然因素，侧面也设置防撞装置防范意外因素，道路防撞墙上的防撞栏杆与声屏障安装同时进行,并建议了交通管理部门在全封闭声屏障内的路面和防撞墙内侧设置一定的反光标志,确保车辆在声屏障内安全行驶。
全封闭声屏障的顶部设计为拱形，两侧面设计为直立式，这一构造形式主要是为了兼顾景观、结构安全(风载、雪载等)、雨水的排放等因素。全封闭声屏障的侧面采用改性PVC阳光板隔声材料固定在H型钢的主立柱和副立柱的侧面，用特制的自攻钉加胶垫固定，屏障顶部同样采用改性PVC阳光板，具有良好的采光作用，并与周围的景观协调，也有较好的防腐和防雨性能，安装和密封也比较方便。
5、全封闭声屏障的材料选型与设计
国内外研究表明，轨道交通噪声主要成分以中低频率为主，其中1000 Hz以下部分是最主要频率范围，等效频率约500Hz。针对这一特点，本工程选用在125 -- 2 000 Hz频段范围内降噪效果明显的改性PVC阳光板隔音材料，该范围1/3倍频带平均隔声量不低于28dB。除了考虑声学效果，隔声屏体还需要满足力学性能和物理性能要求，结构强度满足结构荷载要求，有一定的防腐蚀、防浸、防尘、抗老化和抗紫外的性能。根据这些要求，本工程大部分隔声材料选用6mm厚的改性PVC阳光板，具有较好的抗紫外线功能，抗紫外年限15年以上，透光率80%以上。
6、全封闭声屏障的其它关联问题设计
6.1屏体内部通风
因全封闭声屏障的长度只有100m，而且由南向北有较大的坡度，声屏障的截面又是设计为拱形，汽车尾气在声屏障内不易积累，所以没有采取机械排风的措施，避免了机械排风装置的能耗和噪声影响问题。在全封闭声屏障建成后没有发现汽车尾气积累的现象。
6.2 屏体表面积灰
声屏障内的地面、防撞墙上及隔声构件上的积灰较为严重，应该定期进行声屏障的积灰清洁工作，初步方案为采用水车定期冲洗。东侧的居民反映屏障修建好以后，除了噪声影响明显降低外，家里的灰尘影响也好多了。
6.3屏体内部温室效应
由于全封闭声屏障全部由透明的隔声板材构成，必然会在屏蔽的道路区间内形成巨大“温室效应”，在气温比较高的季节、行人在该区间内通过应该采取必要的保护措施，比如在该区域的人行道设置不透光遮阳；由于本段屏障总体长度并不太长，所以“温室效应”的对行车和行人不会有太大影响。
7、结语与思考
综上所述，目前已建造的全封闭声屏障工程，从噪声控制的技术角度分析和实测的噪声数据证明，可以取得较佳的隔声效果，隔声效果比单侧或双侧乃至半封闭声屏障有明显的提高，可以使交通噪声对道路两侧环境的影响低于4类标准，可以基本上解决高架道路经过密集居住点的噪声影响问题，本工程可为同类型的道路降噪治理工程提供了一些可借鉴的经验。全封闭声屏障作为声屏障的一种构造形式，以其降噪量高的优越性己经逐渐被国内外认可和接受，并在日后城市道路、轨道交通和高架道路上必将得到广泛的应用。
同时，我们也应看到，虽然全封闭声屏障可以有效地降低道路桥上车辆噪声的传播辐射影响，但全封闭声屏障的建造毕竟是无奈的或是被动的，投资也是可观的，而且可能在日常的运行中还会出现一些未知问题。我们的社会正处在快速发展变化的时期，汽车的拥有量迅速增加和城市道路的快速改造，交通噪声的影响已成为新世纪城市环境中最主要的公害，汽车、道路的发展与噪声环境影响的关系如何协调处理、在城市邻近居民住宅区的道路改造中交通噪声的环境影响如何预测和合理解决、通过城市居民住宅区的交通主干线的交通噪声环境影响如何评价和解决等一系列问题，都值得我们在今后一定时期内进行认真的进行思考。
参考文献
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