蘇凱 廖明旭 賀玉龍 張書豪 張群 楊卓鑫

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 成都 611756； 2. 中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司生態(tài)環(huán)境設(shè)計研究院 成都 610031； 3. 中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司公路市政院 成都 610031)

0 引言

2019年全國“12369環(huán)保舉報聯(lián)網(wǎng)管理平臺”統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，涉及噪聲的舉報占比為38.1%，排在各污染要素第2位[1]。交通噪聲作為城市噪聲的代表，可能導(dǎo)致癌癥、心理障礙、高血壓及其他諸多心理生理癥狀[2]。

近年來許多城市紛紛開始修建高架快速路，在緩解交通壓力的同時，也給道路兩側(cè)的環(huán)境帶來了不小的噪聲污染問題。為了更好地對高架快速路的噪聲進行防治，眾多研究人員開展了高架快速路的噪聲特性的研究。目前對于城市道路交通噪聲預(yù)測研究的方法主要有3種，分別是現(xiàn)場試驗法、模型計算法、計算機模擬法[3]，相比前兩者，計算機模擬更為直觀方便、成本低廉，是噪聲預(yù)測與研究的趨勢所在。Cadna/A軟件是計算機模擬方法里面的一款應(yīng)用軟件，由德國Datakusitc公司開發(fā)，其計算原理基于《戶外聲傳播的衰減的計算方法》(ISO 9613—2:1996)，該方法與我國的聲學(xué)戶外聲傳播計算方法幾乎一致，故Cadna/A軟件適用于我國噪聲領(lǐng)域的相關(guān)研究[4]。該軟件還經(jīng)過原國家環(huán)?？偩汁h(huán)境工程評估中心認證，并廣泛被我國研究人員用于城市道路[5]、居住區(qū)[6]、鐵路[7]等領(lǐng)域噪聲預(yù)測。

目前，已有不少學(xué)者將Cadna/A軟件用于高架道路的研究之中。郭曉峰等[8]運用Cadna/A軟件對實際工程中的高架快速路進行了噪聲模擬預(yù)測，為實際工程的噪聲防治工作提供了指導(dǎo)；楊月梅[3]、王亞平等[9]、蓋磊等[10]采用Cadna/A軟件對自建高架道路模型的聲場情況進行了預(yù)測并探究了高架臨近住宅等高層建筑的聲場分布規(guī)律。以上學(xué)者的研究中所涉及的高架快速路均屬于整體式高架道路，對于其他類型高架道路聲場研究還未涉及，至于對不同類型高架快速路的聲場比較的研究更是未見報道。事實上高架道路的類型有多種，對于不同類型的高架道路噪聲影響情況應(yīng)分類研究，以便針對不同類型高架噪聲影響情況開展相應(yīng)的防治措施，特別是從噪聲污染角度為高架快速路及其周邊建筑的設(shè)計提供一定的參考。影響高架噪聲污染大小的因素有很多，不同因素的影響大小各不相同，將高架類型因素與其他影響因素進行對比，找出噪聲污染的主要影響因素對于高架噪聲污染的防治具有重大意義。

1 噪聲計算模型

1.1 高架快速道路幾何模型的建立

本文在道路模型建立的過程中，對于幾何參數(shù)的選擇主要參照《城市快速路設(shè)計規(guī)程》(CJJ 129—2009)。以橫斷面的類型為劃分基準(zhǔn)可將快速高架路分為整體式和分離式兩種。其中分離式有單層和雙層之分。所建模型均為快速高架的基本路段，在基本路段，快速路行車道不受出入口合流、分流、交織車流的影響。

整體式高架快速復(fù)合道路(整體式)：高架道路為雙向6車道，單車道寬3.75 m，中間帶3 m，道路最外側(cè)行車道中線距道路邊線的道路附加寬度為1.5 m，總長28.5 m；對于兩側(cè)地面道路寬均為12 m，單車道寬3.5 m，地面道路中間帶寬7 m；高架橋面高9 m。

單層分離式高架快速復(fù)合道路(單層分離式)：高架道路分為左右兩個部分(均為3車道)，且行駛方向相反，單車道寬3.75 m，兩側(cè)道路附加寬度各為1.5 m，左右兩部分總寬度均為14.25 m；地面道路總長為17 m，雙向6車道，單車道寬3.5 m，中間帶寬3 m，道路兩側(cè)附加寬度各為1.5 m；高架橋高9 m。

雙層分離式高架快速復(fù)合道路(雙層分離式)：高架道路分為上下兩部分(均為3車道)，單車道寬3.75 m，道路兩側(cè)附加寬度各1.5 m，總寬14.25 m；地面道路為3車道；第一層高架道路路面高9 m，第二層高15 m。

所有類型的高架道路左右兩側(cè)道路邊線處均設(shè)置有高為1 m的防撞墻。關(guān)于3種類型的快速高架道路橫截面示意圖如圖1。模擬的模型建立主要參照實際應(yīng)用中各個類型的常見形式，充分參照規(guī)程的同時盡量做到控制變量，首先保證高架道路車道數(shù)量相等，在此基礎(chǔ)上搭配目前國內(nèi)常見的地面道路布置形式。由于雙層高架道路的特殊結(jié)構(gòu)，在大多實際應(yīng)用中其地面車道數(shù)要少于其他兩種類型的高架，整體式及單層分離式的地面道路車道數(shù)都和高架車道數(shù)保持一致。

(a) 整體式

(b) 分離式(單層)

(c) 分離式(雙層)

1.2 道路參數(shù)與預(yù)測對象的設(shè)置

高架道路最大限速80 km/h，地面道路最大限速60 km/h；本文僅對日間噪聲情況進行模擬預(yù)測，車流量數(shù)據(jù)全部折合成當(dāng)量小客車進行計算，6車道高架道路車流量4 500輛/h，6車道地面道路車流量2 250輛/h，3車道地面道路車流量1 125輛/h；地面選用光滑瀝青路面，道路坡度為0°。道路各顯示邊線的含義可參照圖2。

圖2 道路各顯示邊線示意

設(shè)距高架道路最外側(cè)聲源線水平距離為25、50、75、100、125 m的噪聲預(yù)測點；設(shè)面向高架復(fù)合道路有一高層建筑，該建筑俯視圖為矩形，長 90 m，寬30 m，層高3 m，共30層，每層各設(shè)有一個噪聲監(jiān)測點，每個監(jiān)測點均距該樓層建筑墻面1m處，每層預(yù)測點距該層地面高度1.2 m。

道路計算采用的是德國的RLS90規(guī)范，計算公式參照下式：

式中,Lpr為多個聲源的疊加噪聲；Lpi為各條車道兩端的聲源線對預(yù)測點的噪聲值。模擬計算中考慮聲反射；考慮道路兩側(cè)的側(cè)邊繞射聲；考慮障礙物、建筑物、橋梁立柱吸聲。

2 不同距離預(yù)測點聲環(huán)境影響預(yù)測及結(jié)果分析

2.1 預(yù)測結(jié)果

設(shè)各預(yù)測點高度分別為1.2 m(地面一層)，10.2 m(一倍高架高度處)，19.2 m(兩倍高架高度)，28.2 m(三倍高架高度)，使用Cadna/A軟件對預(yù)測點模型進行模擬計算，預(yù)測結(jié)果如圖3所示。

(a)預(yù)測點高1.2 m

(b)預(yù)測點高10.2 m

(c)預(yù)測點高19.2 m

(d)預(yù)測點高28.2 m

2.2 結(jié)果討論

對比不同類型高架在有無地面道路作用下的計算結(jié)果，可以看出：

(1)預(yù)測點高度為地面一層時，整體式、單層分離式、雙層分離式對預(yù)測點的噪聲值都隨著距離的增大而先增加后減少, 這是由于高架橋以及高架橋防撞墻對橋下部分區(qū)域的聲音接收產(chǎn)生阻擋效果，并形成一定聲影區(qū)范圍，隨著距離的增大，預(yù)測點逐漸擺脫聲影區(qū)從而噪聲值逐漸增大，距離對噪聲的衰減作用不明顯，當(dāng)距離增大到一定數(shù)值時，距離衰減成為噪聲值衰減的主要因素，此時噪聲值便開始逐漸減小。

預(yù)測點高度大于等于高架高度時，距離衰減是噪聲衰減的主要因素，預(yù)測點噪聲值均隨著水平距離的增大而減小。

(2)地面道路對高度較低預(yù)測點的噪聲值影響較大，高架聲影區(qū)只對高度低于高架且距高架水平距離較近的預(yù)測點影響較大。隨著預(yù)測點水平高度的升高，地面道路對預(yù)測點的噪聲值影響越小，高架橋聲影區(qū)對預(yù)測點的影響力也越小。

(3)由于實際道路中，高架基本都是以復(fù)合道路的形式存在，在此對3種類型的高架復(fù)合道路噪聲污染情況進行排序：當(dāng)預(yù)測點高度為1.2 m時：雙層分離式>單層分離式>整體式；當(dāng)預(yù)測點高度為10.2 m時：整體式和雙層分離式對預(yù)測點的噪聲值在各個距離均大于單層分離式；預(yù)測點距離小于50 m時，整體式>雙層分離式；預(yù)測點距離大于50 m時，整體式<雙層分離式；當(dāng)預(yù)測點高度為19.2、28.2 m時：雙層分離式>整體式>單層分離式。

3 垂直面聲場計算結(jié)果及討論

3.1 預(yù)測結(jié)果

設(shè)建筑物與高架聲源線距離分別為25、50、100 m，計算結(jié)果如圖4。

(a)水平距離25 m且僅高架道路作用

(b)水平距離25 m且復(fù)合道路共同作用

(c)水平距離50 m且僅高架道路作用

(d)水平距離50 m且復(fù)合道路共同作用

(e)水平距離100 m且僅高架道路作用

(f)水平距離100 m且復(fù)合道路共同作用

3.2 結(jié)果討論

(1)從整體趨勢來看，隨著建筑物與高架聲源線距離的增加，高架道路對建筑物的整體噪聲污染值在下降；隨著樓層的升高，高架對于不同樓層的噪聲污染先增大后減小，這符合研究人員已有的研究發(fā)現(xiàn)[10]。

(2)地面道路對于1～2層的噪聲污染較大，隨著樓層高度的增加其作用越來越小。在建筑物與高架聲源線距離為25 m時，地面道路的加入對于3種類型高架在建筑物1層的噪聲污染增大情況為整體式：6 dB，單層分離式：4 dB，雙層分離式：2.5 dB；3種類型高架在建筑物2層的噪聲污染增大情況為整體式：4 dB，單層分離式：2.5 dB，雙層分離式：2 dB。隨著建筑物與高架聲源線距離的增大，地面道路作用越來越小。

(3)雙層分離式對建筑物的噪聲污染從第5層左右開始出現(xiàn)波動情況，隨著建筑物與高架聲源線距離的增大波動范圍進一步擴大，且在1～8層表現(xiàn)出更強的噪聲污染性，噪聲最大值出現(xiàn)在第6層附近；整體式在1～2層時噪聲污染小于單層分離式，這種差距隨著水平距離的增大而漸漸消失，整體式高架總體的噪聲污染程度介于三者之間；單層分離式對各樓層的噪聲污染程度都較小，對于單層分離式及整體式的噪聲最大值所在樓層數(shù)均隨建筑物距高架水平距離的增大而升高。

在條件允許的情況下，在此從噪聲污染角度建議道路設(shè)計部門優(yōu)先選擇單層分離式高架，其次是整體式，但考慮到現(xiàn)如今城市用地緊張，若選擇雙層分離式，應(yīng)適當(dāng)加強對污染嚴(yán)重區(qū)域(建筑物1～8層)的噪聲防治力度。

4 高架類型對預(yù)測點噪聲值的效應(yīng)力評估

由前文可知，不同類型的高架快速路在一定程度對周圍環(huán)境的噪聲影響有所不同。對于預(yù)測點噪聲值的影響因素，僅就高架快速路而言，除高架類型外，道路限速也十分重要，這兩者都是高架道路在設(shè)計之初時就會選定的。為了更好地評估高架類型對噪聲的影響程度，在此進行高架類型和道路限速對噪聲值影響情況的雙因素方差分析，其中高架類型和道路限速為固定因子，道路噪聲值為因變量。分別定義整體式、單層分離式、雙層分離式的表達式為數(shù)字1、2、3；定義道路交通量為3 000、4 500、6 000輛/h時的噪聲值為字母LAeq、LBeq、LCeq，此次分析僅考慮高架路段，對地面道路不予討論；假設(shè)某噪聲預(yù)測點距高架道路聲源線水平距離50 m，高度1.2 m?？紤]到Cadna/A軟件在關(guān)于道路交通噪聲值的誤差大約為3 dB左右[11]，在軟件對預(yù)測點的預(yù)測結(jié)果基礎(chǔ)上考慮隨機誤差，在誤差范圍內(nèi)隨機取多組噪聲值并以此多組結(jié)果的平均值作為本次方差分析的數(shù)據(jù)，本次分析關(guān)于每一種情況的噪聲值共各有3個值，具體參數(shù)如表1。

表1 不同高架類型和道路限速條件下預(yù)測點噪聲值

從表1可知，在道路日交通量確定的情況下，3種類型的高架道路對該預(yù)測點的噪聲值大小均隨著道路限速的升高而升高。對表1數(shù)據(jù)進行方差分析結(jié)果如表2。

由表2可知，3種交通量條件下，高架類型及道路限速兩個主體因子的顯著性水平均小于0.05，說明高架類型、道路限速對噪聲值的影響顯著；交互因子高架類型*道路限速顯著性水平遠大于0.05，說明其對預(yù)測點噪聲值的影響不顯著，高架類型與道路限速兩因素之間不存在交互影響作用。對于3種交通量下的偏Eta平方值(效應(yīng)量)，道路限速均大于高架類型，說明道路限速對于該預(yù)測點噪聲值大小的影響高于高架類型，隨著道路交通量的增大，高架類型及道路限速的偏Eta平方值均先增大后減小，高架類型及道路限速彼此間的偏Eta平方差值也是先增大后減小，這說明道路交通量的變化可以改變高架類型及道路限速對于預(yù)測點噪聲的效應(yīng)力大小，對于雙向6車道高架道路且小時交通量為3 000～6 000輛/h的變化過程中，高架類型及道路限速對預(yù)測點噪聲值的效應(yīng)量先增大后減小，高架類型和道路限速對預(yù)測點噪聲值的效應(yīng)量差距先縮小后又擴大。

表2 主體間效應(yīng)檢驗

5 結(jié)語

不同類型的高架快速路對環(huán)境的噪聲污染情況的確有所不同。高架類型對于環(huán)境噪聲污染影響顯著，其影響程度雖不及道路限速，卻同樣值得充分考慮。在對高架快速路進行設(shè)計時，除考慮傳統(tǒng)的設(shè)計因素外，還應(yīng)從環(huán)境保護角度出發(fā)，結(jié)合道路周圍的建筑分布及未來發(fā)展規(guī)劃對實際道路的噪聲污染情況進行模擬預(yù)測，最終得出一種既經(jīng)濟適用且綠色環(huán)保的設(shè)計方案。