公路聲屏障設計標準化研究

尚曉東，袁旻忞，魏顯威

（1.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；2.國家環(huán)境保護道路交通噪聲控制工程技術中心，北京 100088）

設置公路聲屏障是治理公路交通噪聲最有效的措施，在全世界范圍內得到了廣泛應用。圍繞公路聲屏障設計，2004 年制定并發(fā)布的《聲屏障聲學設計和測量規(guī)范》（HJ/T 90—2004）規(guī)定了聲屏障在聲學設計和降噪效果測量方面的技術要求[1]；2005 年制定并發(fā)布的《公路聲屏障材料技術要求和檢測方法》（JT/T 646—2005）對包括公路聲屏障立柱、屏體、樁基等使用的材料進行了分類，并對相應的技術要求和檢測方法進行了規(guī)定[2]，該標準于2013 年起開始修訂，在2016—2017 年修訂后發(fā)布了包括分類、總體技術要求、聲學設計方法、聲學材料技術要求及檢測方法、降噪效果檢測方法5 部分系列標準[3]；2010 年制定并發(fā)布的《公路環(huán)境保護設計規(guī)范》（JTG B04—2010）對公路聲屏障在公路斷面的設置位置、聲屏障的高度與長度、聲屏障屏體材料的單位重量及聲屏障的結構安全等方面提出了詳細的規(guī)定值[4]；2018 年制定并發(fā)布的《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018）在聲屏障材料、結構設計、構造設計及耐久性設計方面提出了相應的技術要求[5]；2019 年制定并發(fā)布的《公路聲屏障緊急疏散出口設置要求》（JT/T 1236—2019）對公路聲屏障緊急疏散出口的形式和位置提出了具體要求[6]。以上標準的制定及修訂，為我國公路交通噪聲防治聲屏障技術發(fā)展做出了巨大貢獻。

公路聲屏障現有的相關標準在聲學設計、結構設計、材料及耐久性設計等方面都進行了系統(tǒng)的規(guī)定，廣泛服務于我國公路聲屏障設計。然而，這些標準由于出自不同行業(yè)領域，從不同專業(yè)角度對聲屏障設計進行相應的規(guī)定，無法做到全面涵蓋聲屏障工程設計的每個環(huán)節(jié)。例如，聲屏障聲學設計所使用的算法沒有考慮公路聲屏障建造環(huán)境受限與延伸長度的合理化因素，導致聲屏障設計的高度和長度往往達不到理想狀態(tài)，影響到聲屏障的實際降噪效果。公路聲屏障材料標準主要是對單一材料的聲學、力學等性能進行了規(guī)定，但是缺乏對安裝組合后的材料屏體整體性能的具體要求，導致公路聲屏障整體的隔聲效果不理想，也影響了聲屏障的實際降噪效果。聲屏障結構技術標準側重于聲屏障的結構設計、構造設計與耐久設計，從安全耐久方面進行了規(guī)范，但是對聲屏障建造后給外部環(huán)境改變帶來的影響沒有具體的要求，導致聲屏障標準在行車安全、景觀融合、維護保養(yǎng)方面往往考慮不周，容易縮短聲屏障整體的使用壽命，降低耐久性。公路環(huán)保設計規(guī)范雖然考慮的公路因素較全面，但是具體要求又過于寬泛，操作性較差，經濟合理性不強[7]。

我國現行的這些標準由于沒有完全結合公路聲屏障特點進行系統(tǒng)性考慮，導致在公路聲屏障設計過程中出現各種問題，突出的是實際降噪效果不理想和使用壽命的問題，進而影響了公路聲屏障的使用。因此，為了解決公路聲屏障由于設計導致的以上問題、規(guī)范聲屏障工程設計內容細節(jié)、完善公路聲屏障設計標準體系，本研究通過分析公路聲屏障的設計總體要求，研究公路聲屏障標準化設計的原則和方法，并在此基礎上，針對現有公路聲屏障相關標準中的不足，提出了公路聲屏障標準化設計方法和內容。

公路聲屏障設計在充分考慮公路特點的前提下，將聲屏障的聲學設計、結構設計、構造安全設計、材料及組合耐久設計、安全景觀設計及養(yǎng)護等方面有機構建成一個整體進行系統(tǒng)協調，形成標準化設計體系。通過對聲學計算精準化、結構核算合理化、安全措施精細化、材料應用耐久化、景觀協調安全化和安裝部件可更換等方面的研究，提出聲屏障標準化設計原則與方法，依據適用條件推進聲屏障設計標準化發(fā)展，降低聲屏障位置設置的偏差，增強結構穩(wěn)固性，完善安全措施，提高材料耐久性，減少維護養(yǎng)護成本。

1 總體要求

公路聲屏障設計總體要求[8]是最大限度達到公路沿線敏感點聲環(huán)境要求，提出安全耐久、經濟合理的最優(yōu)結構形式，注重安全設計并在特殊道路結構路段單獨進行安全措施論證，選擇性能穩(wěn)定、經濟耐用的材料并鼓勵使用性能突出的新材料，結合周圍環(huán)境條件，通過景觀美化優(yōu)化提高環(huán)境融合度與行車安全性，針對安裝與維護要求合理采用工藝，降低現場施工難度。

公路聲屏障的聲學要求是最大限度減小交通噪聲的影響范圍[9]，結構要求是提出安全耐久的結構形式，材料要求是使用性能穩(wěn)定、經濟耐用的材料以保證持久穩(wěn)定的吸隔聲效果，景觀要求是提高景觀融合度和行車安全性，安裝維護要求是安裝便捷、部件可更換。其中聲學要求是聲屏障設置的關鍵，結構及材料要求是影響聲屏障使用壽命的關鍵，將兩大關鍵要求分置開來，中間設置一個判斷條件，在滿足聲學要求后才可進行滿足結構及材料等要求的相關設計。

綜上所述，從聲屏障設計要求出發(fā)，構建的以聲學要求為核心的設計框架模式見圖1。

2 原則與方法

推進公路聲屏障設計標準化技術，保證技術可靠、安全耐久、材料適用、安裝便捷、景觀融合和維護方便，應建立“安全、可靠、耐久、經濟”的公路聲屏障標準化設計體系，對整個設計過程進行流程化梳理，提出標準化設計原則與方法。

2.1 標準化設計原則

（1）高速公路聲屏障設計應最大限度達到公路沿線敏感點聲環(huán)境要求。

（2）高速公路聲屏障設計應考慮安全耐久、經濟合理的結構形式。

圖1 聲屏障設計總體框架圖

（3）高速公路聲屏障設計應注重安全設計，特殊道路結構路段應單獨進行安全措施論證。

（4）高速公路聲屏障設計應選擇經濟適用的材料，也鼓勵使用性能突出的新材料。

（5）高速公路聲屏障設計應結合周圍環(huán)境條件，進行景觀美化優(yōu)化，盡量融入環(huán)境。

（6）高速公路聲屏障設計應著重考慮安裝與維護的工藝細節(jié)，降低現場施工難度。

（7）高速公路聲屏障設計應進行方案論證、施工圖審核和實際降噪效果評估。

2.2 標準化設計方法

設計內容至少應包括聲學設計、結構形式設計、安全設計、材料設計、景觀設計、養(yǎng)護設計及監(jiān)測驗收等7 方面內容。其中以聲學設計為核心展開，通過結構形式、安全、材料、景觀及養(yǎng)護設計，達到降噪要求。聲屏障標準化設計結構圖見圖2。

圖2 聲屏障標準化設計結構圖

（1）聲學設計應以環(huán)境影響評價的交通噪聲預測值或實測交通噪聲值為基礎依據確定設計目標值，設計目標值是降噪防護對象的聲環(huán)境評估值與其所處聲環(huán)境區(qū)域限值的差值，聲學長度與高度統(tǒng)一按《聲屏障聲學設計和測量規(guī)范》（HJ/T 90—2004）進行計算。

（2）結構形式設計應確保達到聲學設計要求且經濟性最優(yōu)，其中地基承載力應滿足聲屏障自重及承壓要求，抗傾覆穩(wěn)定系數不得小于1.2，抗滑系數不得小于1.2。細部設計應包括排水設計、排水設施防漏聲設計、密封設計和避繞設計等內容。

（3）在跨越人行通道、跨線橋及長度超過500m的聲屏障設置路段上應考慮進行安全設計，如防墜落措施和疏散口[6]。防墜落設施統(tǒng)一采用鋼絲繩，疏散口應設置安全門，安全門的隔聲量應不小于25dB。

（4）材料設計應在滿足聲屏障降噪要求的前提下，提出材料應用的范圍及耐久性要求，合理選擇技術可靠、性能優(yōu)越、耐用經濟的降噪材料。應鼓勵使用能解決聲屏障特殊降噪需求的新型降噪材料。

（5）景觀設計應考慮對聲屏障的造型、線形、道路斷面位置、屏體組合樣式、色彩等因素進行協調設計，包括造型設計、色彩設計、綠化設計等。

（6）養(yǎng)護設計是為方便施工安裝、維修與更換聲屏障部件進行的結構微調與保障措施設計。應注意預留和避讓檢修通道，保證連接部件可更換，提高隱蔽部位部件耐久性[10]。

（7）聲屏障設計的監(jiān)測驗收主要是對敏感點受保護對象的聲環(huán)境狀況是否達標進行評估，此工作應在聲屏障插入損失量達到設計要求后開展，編制適應現場環(huán)境的監(jiān)測方案。

3 聲屏障設計技術內容

3.1 聲學設計

聲學設計采用《聲屏障聲學設計和測量規(guī)范》（HJ/T 90—2004）提供的通用算法，但是由于對公路聲屏障建造環(huán)境受限與延伸長度的合理化因素考慮不周，往往導致聲屏障設計的長度、高度達不到理想狀態(tài)，究其原因主要是設計目標值確定不準確，長度與高度計算不精確，缺少實際環(huán)境受限下補償降噪效果的調整措施的計算方法等。可以通過重新確定設計目標值、計算長度與高度的理論降噪值及設計調整措施等，全面改善并解決以上問題。

3.1.1 確定設計目標值

（1）新建公路

對環(huán)境影響評價中公路沿線聲敏感點的聲環(huán)境區(qū)劃的噪聲限值與其所受中期交通噪聲預測值進行比較，選出交通噪聲預測值超過聲環(huán)境噪聲限值的敏感點作為降噪措施防護對象[11]。依據環(huán)境影響評價中提供的中期交通預測量，對防護對象最不利位置（住宅等）進行中期交通噪聲預測，得到最不利位置（住宅等）受到的交通噪聲影響值作為該降噪防護對象的聲環(huán)境評估值。設計目標值為降噪防護對象的聲環(huán)境評估值與其所處聲環(huán)境區(qū)域限值的差值。

（2）運營期公路

運營期公路應選擇在需要采取降噪措施的防護對象的最不利位置（住宅等）進行現場噪聲監(jiān)測，測得實際交通噪聲影響值。結合實測交通噪聲值對應的實際交通量，預測5 年后交通變化量，并以實測交通噪聲值作為噪聲背景值，得到5 年后預測交通量對應的交通噪聲預測值作為該降噪防護對象的聲環(huán)境評估值，以上具體數值的計算參照《環(huán)境影響評價技術導則 聲環(huán)境》（HJ 2.4—2009）。設計目標值為降噪防護對象的聲環(huán)境評估值與其所處聲環(huán)境區(qū)域限值的差值。

3.1.2 聲屏障長度與高度

聲屏障長度與高度計算參照《聲屏障聲學設計和測量規(guī)范》（HJ/T 90—2004）。

3.1.3 設計調整

若設計得到的插入損失達不到降噪的設計目標值，則需要調整聲屏障的長度、高度或聲屏障與聲源（或受聲點）的距離。如聲屏障設置區(qū)域存在高度要求，而且超標量較小時，可通過設置聲屏障頂端結構來增加有效高度。常見頂端結構包括折角式、圓形、Y 型、T 型等。增加的有效高度為設計聲屏障降噪效果超過投影地面法線高度的部分。一般來說折角式增加的有效高度為30cm、圓形為50cm、Y 型為70cm、T 型為85cm。在應用中，聲屏障頂端結構增加的有效高度需要根據現場實際情況進行確定[12]。

3.2 結構形式設計

3.2.1 聲屏障結構設計

聲屏障的結構設計由三部分組成：（1）聲屏障基礎結構的設計與計算，應滿足穩(wěn)定性要求，地基承載力應滿足聲屏障自重及承壓要求，抗傾覆穩(wěn)定系數不得小于1.2，抗滑系數不得小于1.2；（2）聲屏障上部結構的設計與計算，應滿足立柱強度和剛度要求；（3）聲屏障立柱與基礎連接的驗算，連接螺栓的抗剪力應滿足受力要求。

3.2.2 聲屏障細部設計

聲屏障細部設計包括排水設施防漏聲設計和避繞設計。

（1）排水設施防漏聲設計

路堤段聲屏障為保障原路面排水系統(tǒng)暢通，采用避讓路堤急流槽的結構形式會導致急流槽排水口處存在漏聲，應采用在急流槽頂部砌筑混凝土蓋板的方式進行漏聲處理[14]。路堤與橋梁銜接段聲屏障由于硬路肩與混凝土防撞護欄之間存在高度差而形成了不規(guī)則形狀屏體與基礎的缺口，使用磚砌等方法進行封堵后必須預留排水口，排水口處存在漏聲，因此應將排水口留在缺口最低處，并采用改性聚氯乙烯管（PVC-M）與排水口相連接進行漏聲處理。橋梁段聲屏障由于橋梁徑流直排口的存在而出現漏聲，因此應將PVC-M 做成橫Z 型進行漏聲處理。聲屏障防止排水漏聲處理見圖3。

（2）避繞設計

聲屏障作為線性工程不可避免地要跨越路基、橋梁、通道、涵洞、電話亭、標志標牌、檢修井、門架和路燈等原有道路構筑物，應考慮合理避讓[14]。以避讓檢修井為例，為了不妨礙日常檢修，一般采用繞越或在聲屏障下部安裝抽拉屏體的處理方式。

3.3 安全設計

圖3 聲屏障防止排水漏聲處理圖

聲屏障結構技術標準對聲屏障建造給外部環(huán)境帶來的改變沒有具體要求，導致聲屏障對行車安全等因素考慮不周，容易縮短聲屏障整體的使用壽命，降低聲屏障耐久性。為了彌補這一缺陷應進行專門的安全設計。

安全設計主要考慮發(fā)生事故時對聲屏障自身的保護措施，以及對聲屏障影響路段內行人與車輛的保護措施。對聲屏障自身的保護措施是防止聲屏障直接遭受車輛撞擊的措施，對聲屏障影響路段內行人與車輛的保護措施主要是在路內一側設置疏散口、在路外一側設置防墜落措施等[15]。以安全門為例，應設置在聲屏障中間的非橋梁路段上，最佳位置應正對橋梁檢修通道。如果沒有連接到橋梁檢修通道，應在邊坡上安裝金屬步道，步道寬度不低于1.2m，設置步道欄桿的高度不低于1.0m。

3.4 材料設計

現行的公路聲屏障材料標準主要是對單一材料的聲學、力學等性能進行了規(guī)范，但是缺乏對安裝組合后的材料屏體整體性能的具體要求，導致了公路聲屏障整體的隔聲效果不理想，也影響了聲屏障的實際降噪效果。所以材料設計應重點考慮材料性能要求、聲學材料選用原則、聲屏障形式與材料搭配等。

（1）聲屏障基礎構件、吸隔聲材料性能均應符合國家現行標準要求。

（2）聲屏障聲學材料選用原則：經濟適用、技術成熟可靠、適合露天環(huán)境、使用壽命長；制作安裝方便、后期維護簡便；保證行車安全、防眩目、與周圍環(huán)境協調；選用新型、環(huán)保的材料時應重點考察材料的經濟性與實用性。

（3）聲屏障形式及材料搭配[13]：微弧型透明金屬聲屏障的鋼立柱頂部微弧不超過60°；頂部內沿不得超過護欄內沿；屏體采用金屬吸聲板及透明加筋亞克力板；透明板高度在聲屏障高度（距離路面）的40%以上；金屬吸聲板采用微穿孔平板或微穿孔擴散體條紋板，頂部吸聲高度在60cm 以上。

3.5 景觀設計

現行標準缺少對聲屏障景觀融入公路環(huán)境的具體要求及措施規(guī)定，導致聲屏障景觀突兀，甚至影響司乘人員的行車安全，因此應進行專門的景觀設計。

（1）景觀設計是對聲屏障建造產生的視覺影響進行調節(jié)，使之不產生負面影響，避免造成或盡可能減少視覺污染，盡量與周圍景觀融合。同時，進行景觀設計的聲屏障一般應用于人口較多的區(qū)域，應考慮景觀聲屏障在維護方面的經濟性及便利性。

（2）景觀設計除考慮維護便利性外，還應考慮對當地水土保持及透明聲屏障對鳥類等動物的影響等。

3.6 養(yǎng)護設計

現行聲屏障標準在維護保養(yǎng)方面的要求較少，造成聲屏障由于缺乏維護和保養(yǎng)而使整體使用壽命縮短。為解決這一問題，應在設計階段進行養(yǎng)護設計，以降低維修難度、提高養(yǎng)護效率。

養(yǎng)護設計是為方便施工安裝、維修與更換聲屏障部件進行的結構微調與保障措施設計，主要包括預留檢修通路措施和預防性養(yǎng)護處理措施。檢修井避讓、橋頭踏步設置及預留橋梁檢修通道屬于預留檢修通路措施；預防性養(yǎng)護處理措施包括橋梁檢修隔聲門更換部件設計（避免現場焊接等措施）和難以更換部件的耐久設計等。橋梁檢修隔聲門見圖4。

圖4 橋梁檢修隔聲門

綜上所述，公路聲屏障設計應以聲學設計為核心，充分考慮結構設計的安全穩(wěn)定、安全措施設計對聲屏障不同形式與部位細節(jié)的設計完善、材料設計的耐久性、景觀設計的融合性、養(yǎng)護設計的操作便捷性，使聲屏障的長度與高度設置得更精確且經濟合理，同時能延長聲屏障整體的使用壽命。

3.7 設計文件

（1）聲屏障的設計方案或初步設計應包括項目概況、防護敏感點現狀調查與分析、設計方案比選論證、推薦方案估算、結論與方案設計圖紙等內容。

（2）聲屏障施工圖設計應包括設計說明、工程數量表、聲屏障平面與橫斷面布置圖、聲屏障基礎與上部構造圖、屏體細部構造圖、細部安裝構造圖、跨越構筑物結構詳圖與標準段工程數量表等內容。

（3）聲屏障降噪效果評估報告應包括聲屏障插入損失監(jiān)測數據、受保護敏感點監(jiān)測數據、數據分析與結論等內容。

4 結語

公路聲屏障設計在充分考慮公路特點的前提下，將聲屏障的聲學設計、結構形式設計、安全設計、材料設計、景觀設計及養(yǎng)護設計等方面有機構建成一個整體，全面進行系統(tǒng)協調。通過對聲學計算精準化、結構核算合理化、安全措施精細化、材料應用耐久化、景觀協調安全化和安裝部件可更換等研究提出建立“安全、可靠、耐久、經濟”的公路聲屏障標準化設計體系，并提出具體的標準化設計原則與方法，從而降低聲屏障位置設置的偏差，增強結構穩(wěn)固性，提高材料耐久性，減少維護養(yǎng)護成本。