城市快速路噪聲影響預(yù)測(cè)及聲屏障降噪效果模擬研究

徐文文，王玉紅，郭曉峰，呂相龍，黃 峰，張 瑋

(1.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014；2.江蘇省交通運(yùn)輸環(huán)境保護(hù)工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210014)

0 引言

近年來(lái)，城市交通的快速發(fā)展在提高城市居民便捷出行以及促進(jìn)城市發(fā)展的同時(shí)，其環(huán)境影響尤其是噪聲影響引起社會(huì)的廣泛關(guān)注[1]。而城市快速路作為城市交通的重要組成部分，其具有交通量大、設(shè)計(jì)車速高以及噪聲影響范圍大等特點(diǎn)[2－3]，城市快速路沿線居民的噪聲投訴已成為社會(huì)的熱點(diǎn)問(wèn)題。因此，研究總結(jié)城市快速路的噪聲影響特征，從而為降噪措施的實(shí)施提供技術(shù)支撐。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)多個(gè)省、市開展了城市區(qū)域聲環(huán)境影響研究，在沈陽(yáng)市2017年城市聲功能區(qū)劃調(diào)整的背景下，袁寶成等[4]對(duì)沈陽(yáng)市現(xiàn)有建成區(qū)范圍內(nèi)各類聲環(huán)境功能區(qū)聲環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)調(diào)查并分析評(píng)估。于天舒等[5]基于GIS采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)確定性插值的方法對(duì)日照東港區(qū)和紹興越城區(qū)的城市區(qū)域環(huán)境噪聲污染現(xiàn)狀和空間分布特征進(jìn)行研究，并對(duì)兩地聲環(huán)境進(jìn)行了評(píng)價(jià)。劉佳[6]針對(duì)揚(yáng)州市江都區(qū)聲環(huán)境現(xiàn)狀開展了監(jiān)測(cè)工作并評(píng)價(jià)。徐江焱[7]根據(jù)黃石市近5 a（2013年～2017年）城市聲環(huán)境質(zhì)量例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從區(qū)域環(huán)境噪聲、交通噪聲、功能區(qū)噪聲3個(gè)方面分析城市環(huán)境噪聲污染現(xiàn)狀及變化趨勢(shì)并提出相關(guān)建議。許雪記等[8]針對(duì)軌道交通以及城市道路的復(fù)合噪聲影響開展了噪聲源識(shí)別研究。目前，針對(duì)城市快速路沿線的聲環(huán)境研究主要集中在聲環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)以及聲功能區(qū)達(dá)標(biāo)情況等方面，上述研究均提出城市區(qū)域中城市道路尤其是城市快速路沿線對(duì)于城市聲環(huán)境的影響程度較大，為深入了解城市快速路的噪聲影響特征及分析增設(shè)聲屏障降噪效果，以某市東西向城市快速路為例（該快速路沿線建有較多高層小區(qū)以及學(xué)校，近年來(lái)已有較多的噪聲投訴問(wèn)題），以沿線敏感點(diǎn)噪聲現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，基于Cadna/A軟件對(duì)沿線所有敏感點(diǎn)開展噪聲預(yù)測(cè)，分析高架主路以及地面輔道的噪聲影響程度，并針對(duì)不同形式的聲屏障降噪效果進(jìn)行模擬分析，提出兼顧經(jīng)濟(jì)型的城市快速路聲屏障增補(bǔ)建議。

1 材料與方法

1.1 噪聲仿真模擬模型

預(yù)測(cè)采用德國(guó)Datakustik公司的Cadna/A（2022版）環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)模擬軟件，Cadna/A軟件是基于德國(guó)RLS90通用計(jì)算模型的噪聲模擬預(yù)測(cè)軟件，該軟件主要計(jì)算依據(jù)包括HJ 2.4—2021，RLS90，ISO9613等標(biāo)準(zhǔn)，并采用專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)認(rèn)可的方法進(jìn)行修正，現(xiàn)已通過(guò)原環(huán)保部環(huán)境工程評(píng)估中心評(píng)審認(rèn)證。

某市道路主線為城市快速路，設(shè)計(jì)車速為80 km/h，輔道為城市主干道，設(shè)計(jì)車速為50 km/h，匝道設(shè)計(jì)車速為40 km/h，主線雙向6車道，輔道雙向10車道。通過(guò)調(diào)取交管部門相關(guān)信息獲得主線車流量及車型特征，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)獲取輔道和交叉道路車流量及車型特征信息。

1.2 噪聲模擬驗(yàn)證

通過(guò)噪聲現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)為建立仿真模型提供驗(yàn)證和修正依據(jù)，選擇晝間（07：00～23：00）和夜間（23：00～7：00）時(shí)段，選取快速路沿線20處敏感點(diǎn)開展20 min等效連續(xù)A聲級(jí)監(jiān)測(cè)，晝、夜各1次，連續(xù)監(jiān)測(cè)2 d，將噪聲監(jiān)測(cè)平均值與該時(shí)段的噪聲模擬值利用SPSS軟件進(jìn)行T檢驗(yàn)，以驗(yàn)證該軟件用于城市快速路噪聲預(yù)測(cè)的可靠性。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗(yàn)證結(jié)果

將噪聲實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，總體上現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)值略大于模擬值，推斷原因是由于監(jiān)測(cè)過(guò)程中受社會(huì)噪聲等其他噪聲源的干擾，晝間偏差絕對(duì)值平均為1.3 dB（A），夜間偏差絕對(duì)值平均為1.6 dB（A），整體誤差較小，低于2 dB（A）。實(shí)測(cè)值與模擬值的配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，當(dāng)顯著性水平為0.05時(shí)，晝間、夜間相伴概率Sig=0.000＜0.05，可認(rèn)為實(shí)測(cè)值和模型預(yù)測(cè)值具有明顯的相關(guān)性。由配對(duì)樣本T檢驗(yàn)果可知，實(shí)測(cè)值、預(yù)測(cè)值晝、夜配對(duì)樣本T檢驗(yàn)的相伴概率Sig均大于0.05，即晝、夜的預(yù)測(cè)值與監(jiān)測(cè)值無(wú)顯著性差異，因此，采用Cadna/A軟件預(yù)測(cè)城市快速路噪聲貢獻(xiàn)值是可信的。

2.2 道路噪聲預(yù)測(cè)以及特征分析

2.2.1 主線快速路噪聲貢獻(xiàn)預(yù)測(cè)及特征

對(duì)主線高架的噪聲貢獻(xiàn)值進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，4a類區(qū)域晝間均達(dá)標(biāo)，夜間超標(biāo)范圍為0.1～8.7 dB（A），敏感點(diǎn)超標(biāo)率為100%；2類區(qū)晝間超標(biāo)范圍為0.2～3.4 dB（A），敏感點(diǎn)超標(biāo)率為44.4%，夜間超標(biāo)范圍為0.3～9.3 dB（A），敏感點(diǎn)超標(biāo)率為100%；1類區(qū)晝間超標(biāo)范圍為0.1～6.6 dB（A），敏感點(diǎn)超標(biāo)率為87.5%，夜間超標(biāo)范圍為2.6～12.5 dB（A），敏感點(diǎn)超標(biāo)率為100%。

對(duì)噪聲預(yù)測(cè)值特征分析結(jié)果如下：

（1）對(duì)于平行于道路分布的敏感點(diǎn)，在不考慮其余互通高架影響的情況下，首排對(duì)于第2排的噪聲遮擋效果穩(wěn)定在7 dB（A）左右，甚至可達(dá)到10 dB（A）。

（2）由于聲影區(qū)的存在，主線高架對(duì)于低樓層（≤3層）的噪聲貢獻(xiàn)值較低。

（3）首排噪聲垂直分布峰值并非出現(xiàn)在與道路水平的樓層，峰值往往出現(xiàn)在相對(duì)較高的樓層，其具體高度與首排距離道路邊界線距離呈正相關(guān)，高架段臨街首排噪聲峰值出現(xiàn)在12層左右。

（4）臨路首排隨著樓層升高達(dá)到一定高度，噪聲值在1～2 dB（A）波動(dòng)趨于穩(wěn)定，沒(méi)有明顯衰減。由于噪聲繞射現(xiàn)象，第2和第3排噪聲垂直分布，峰值均出現(xiàn)在頂層。

2.2.2 地面輔道噪聲貢獻(xiàn)預(yù)測(cè)及特征

Paraffin-embedded tumor sections were stained with PCNA antibody (1 : 400). Detection was carried out by using GTVisinTM immunohistochemical analysis KIT (Gene Tech Co., Ltd., Shanghai, China). The images were observed under a microscope (IX73; Olympus, Japan).

對(duì)輔道的噪聲貢獻(xiàn)值進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，4a類區(qū)域晝間均達(dá)標(biāo)，夜間超標(biāo)范圍為0.6～1.2 dB（A），敏感點(diǎn)超標(biāo)率為23.1%；2類區(qū)域晝、夜均達(dá)標(biāo)；1類區(qū)域晝間均達(dá)標(biāo)，夜間超標(biāo)范圍為0.3～3.6 dB（A），超標(biāo)率為62.5%。整體上，地面道路對(duì)于敏感點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)值較小，超標(biāo)的敏感點(diǎn)均位于交叉路口處，沿線交叉地面道路對(duì)于敏感點(diǎn)具有一定的噪聲貢獻(xiàn)。

對(duì)噪聲預(yù)測(cè)值特征分析結(jié)果如下：

（1）整體上，地面道路對(duì)于敏感點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)值低于高架貢獻(xiàn)值5～10 dB（A）。

（2）地面段臨街首排噪聲峰值出現(xiàn)在5～7層。

（3）地面道路一般不存在聲影區(qū)，低樓層（≤3層）的噪聲貢獻(xiàn)值也未出現(xiàn)明顯降低。

2.3 不同形式聲屏障降噪效果模擬與分析

預(yù)測(cè)不同聲屏障高度、聲屏障延伸長(zhǎng)度、橋梁高度、敏感點(diǎn)距離以及特殊形式聲屏障等情形下的聲屏障措施降噪效果，具體預(yù)測(cè)情景見表1。

表1 聲屏障降噪效果預(yù)測(cè)情景

2.3.1 不同高度及類型聲屏障

不同高度聲屏障降噪效果對(duì)比見圖1。由圖1可以看出，3 m高聲屏障對(duì)8層及以下樓層降噪效果較好，對(duì)8層以上樓層降噪效果較差；4 m高聲屏障對(duì)9層及以下樓層降噪效果較好，對(duì)9層以上樓層降噪效果較差；5 m高聲屏障對(duì)10層及以下樓層降噪效果較好，對(duì)10層以上樓層降噪效果較差。有降噪效果的樓層降噪量可達(dá)4～7 dB（A），3層及以下樓層聲屏障降噪效果較低，這是由于該處敏感點(diǎn)受高架聲影區(qū)噪聲衰減的影響，噪聲預(yù)測(cè)值偏小，設(shè)置聲屏障后影響不大。對(duì)比“5 m側(cè)分帶+4 m中分帶”與僅5 m側(cè)分帶的降噪效果發(fā)現(xiàn)，增設(shè)中分帶聲屏障后，對(duì)于10層以下敏感點(diǎn)的降噪效果并無(wú)顯著提升，但有效降噪樓層數(shù)從10層增至15層；對(duì)比5 m側(cè)分帶和全封閉聲屏障的降噪效果發(fā)現(xiàn)，全封閉聲屏障相比普通聲屏障的有效降噪樓層增加較多，基本可覆蓋全部樓層，降噪效果最低可至4 dB（A）以上，對(duì)于快速路沿線敏感點(diǎn)具有較好的降噪效果。

圖1 不同高度聲屏障降噪效果對(duì)比

2.3.2 不同延伸長(zhǎng)度的聲屏障

不同延伸長(zhǎng)度聲屏障降噪效果見圖2。由圖2可以看出，①聲屏障對(duì)于敏感點(diǎn)降噪效果隨著延伸距離的增加而增大，但對(duì)聲屏障的有效降噪樓層數(shù)并未顯著改善；②降噪效果的增大效應(yīng)隨著距離增加逐步降低（如從30 m增至70 m，同一樓層降噪效果可增加3 dB（A），但從70 m增至110 m，同一樓層降噪效果則增加1.5～2 dB（A））。

圖2 不同延伸長(zhǎng)度聲屏障降噪效果對(duì)比

2.3.3 敏感點(diǎn)距道路不同距離

敏感點(diǎn)距道路不同距離時(shí)聲屏障降噪效果對(duì)比見圖3。由圖3可以看出，隨著敏感點(diǎn)距道路不同距離的增加，聲屏障對(duì)敏感點(diǎn)的降噪效果逐漸降低，但對(duì)聲屏障的有效降噪樓層數(shù)逐漸增加，原因是由于隨著敏感點(diǎn)距道路不同距離增加，聲屏障聲影區(qū)范圍逐漸變高，但遮蔽角逐漸降低導(dǎo)致的。建議對(duì)距離高架中心線距離較遠(yuǎn)的敏感點(diǎn)，為保證降噪效果，建議兩側(cè)延伸長(zhǎng)度應(yīng)隨之加長(zhǎng)。

圖3 不同敏感距離聲屏障對(duì)于高架噪聲遮擋效果對(duì)比

2.3.4 不同橋梁高度

不同橋梁高度聲屏障降噪效果對(duì)比見圖4。由圖4可以看出，隨著橋梁高度的增加，聲屏障的有效降噪樓層數(shù)逐漸增加（如橋梁高度為20 m時(shí)，5 m高聲屏障有效降噪樓層可達(dá)14層），原因是由于隨著橋梁高度增加，聲屏障聲影區(qū)范圍逐漸變大。

圖4 不同橋梁高度聲屏障對(duì)高架噪聲遮擋效果對(duì)比

2.4 建議

根據(jù)上述分析結(jié)論，綜合視覺(jué)美觀、敏感點(diǎn)訴求以及經(jīng)濟(jì)型等因素，對(duì)增設(shè)城市快速路聲屏障提出如下建議：

（1）聲屏障高度。建議對(duì)快速路沿線多層（樓層≤6層）敏感點(diǎn)護(hù)欄上設(shè)置高3 m聲屏障；對(duì)中高層以及高層敏感點(diǎn)設(shè)置高4 m或5 m聲屏障。增設(shè)聲屏障時(shí)應(yīng)開展結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等可行性分析，同時(shí)考慮到行車安全以及美觀等因素，設(shè)置中分帶聲屏障應(yīng)開展充分的可行性論證。

（2）聲屏障延伸距離。綜合降噪效果以及經(jīng)濟(jì)因素，聲屏障兩側(cè)延伸長(zhǎng)度宜在70 m；對(duì)距離快速路100 m以外的敏感點(diǎn)，因此處聲屏障降噪效果較低，原則上不建議設(shè)置聲屏障。

（3）為保證聲屏障美觀及社會(huì)影響，對(duì)快速路沿線聚集敏感點(diǎn)，建議設(shè)置聲屏障高度應(yīng)保持一致。

（4）由于上、下匝道和互通匝道處的交通量及設(shè)計(jì)車速較低，故噪聲影響貢獻(xiàn)整體不大，考慮經(jīng)濟(jì)因素以及行車感受，建議設(shè)置不高于4 m聲屏障；同時(shí)，為提高降噪效果，匝道處增設(shè)聲屏障時(shí)，建議在其主線上也應(yīng)設(shè)置屏障。

（5）考慮全封閉式聲屏障自重大且風(fēng)、雪載重也大，對(duì)高架橋的安全運(yùn)行和壽命周期且造價(jià)昂貴，建議采取全封閉或半封閉聲屏障應(yīng)開展充分的可行性論證。

（6）設(shè)置聲屏障整體上對(duì)沿線高層敏感點(diǎn)可起到一定的降噪效果，但對(duì)高樓層無(wú)法全覆蓋，故無(wú)法達(dá)到滿意的降噪效果，建議結(jié)合隔聲窗、限速等綜合措施以達(dá)到最佳降噪效果。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)應(yīng)用Cadna/A（2022）軟件開展城市快速路噪聲預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，可知預(yù)測(cè)值和監(jiān)測(cè)值無(wú)顯著性差異，表明采用該軟件預(yù)測(cè)城市快速路噪聲具有科學(xué)性及可信性。

（2）通過(guò)現(xiàn)狀模擬發(fā)現(xiàn)，整體上地面輔道對(duì)于敏感點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)值較小，一般低于高架貢獻(xiàn)值5～10 dB（A），主線高架對(duì)于低樓層（≤3層）的噪聲貢獻(xiàn)值較低，高架段臨街首排噪聲峰值出現(xiàn)在12層左右，地面段臨街首排噪聲峰值出現(xiàn)在5～7層。

（3）普通直立型聲屏障對(duì)城市高架快速路敏感點(diǎn)的有效降噪樓層一般低于10層；聲屏障降噪效果隨著聲屏障延伸長(zhǎng)度的增加而增加，但是增加幅度逐步降低；且隨著敏感點(diǎn)距離道路中心線的增加而降低，但聲屏障的有效降噪樓層逐漸增加；全封閉聲屏障有效降噪樓層以及降噪效果相比于普通直立型聲屏障顯著增加；“側(cè)分帶+中分帶”聲屏障對(duì)于降噪效果的提升有限，但是相比側(cè)分帶聲屏障可增加3～4層有效降噪樓層。

（4）增設(shè)城市快速路聲屏障時(shí)，建議以降低噪聲為前提，綜合視覺(jué)美觀、敏感點(diǎn)訴求以及經(jīng)濟(jì)型等因素，進(jìn)行聲屏障增補(bǔ)；此外，對(duì)于聲屏障無(wú)法有效覆蓋的高樓層，建議結(jié)合隔聲窗、限速等綜合措施以達(dá)到降噪效果。