高速公路封閉式聲屏障交通安全分析

李志濤，賈 寧

(1.蘇交科集團股份有限公司 南京市 210017； 2.交通運輸部公路科學研究院 北京市 100088)

0 引言

近年來，我國經濟急速發展，社會化進程加快，城市擴張也向外發展，隨之而來的是在原先城郊地帶的高速公路部分路段路側建設了居民住宅或醫院、學校等噪音敏感點。老百姓長期生活在高速公路的車輛噪音下，對此意見較為集中。城市經濟要發展，公路運輸也要發展，老百姓的生活質量也要提高，有效降低公路噪音對老百姓的影響是重要的環境問題。由于采用降噪路面、路側設置聲屏障的方式對路側的高層住宅的降噪收益有限，因此各地都有參照城市高架快速路做法對高速公路設置全封閉或者半幅封閉聲屏障的建議。

由于高速公路運營車輛的特征與城市高架快速路的運營車輛特征有較大差異，城市快速路通常限制3軸以上貨車運行，大部分為小客車在高架橋上通行，小客車發生意外失控后對路側護欄的沖擊有限，不會對護欄上的聲屏障產生較大的安全風險。然而高速公路上運行著大量的載重貨車，該類型車輛發生意外失控后對護欄的沖擊較大，若聲屏障設置在護欄上有發生損壞的風險。

以江蘇某高速公路項目為例，該高速公路通車后在路側建設了一高層住宅小區，臨近高速一排高層住宅距離高速公路路面邊緣約60～80m。現場高速路側雖然布設了常規的4.5m高聲屏障，但高層住宅的中上層住戶對高速公路的噪音多年意見較大。為解決居民噪音困擾，高速公路擬對靠近住宅小區的半幅高速公路建設封閉式聲屏障，最大程度降低噪音影響。在設計封閉式聲屏障的過程中，建設單位和行業主管部門對交通安全問題提出了較高的要求。因此設計過程中對該工況進行安全風險評估。

1 全封閉段線形安全風險分析

路段設置全封閉聲屏障時，車輛通行全封閉路段容易形成隧道效應，本章重點考慮全封閉路段與普通路段運行環境的差異性，從出入口設計指標、駕駛人操作行為等方面系統分析存在的運營安全風險。本項目半幅封閉聲屏障路段樁號為K0+624～K0+252，共372m，高速公路為雙向八車道高速公路標準，設計運營速度為100km/h。所在路段平曲線最小為1800m，豎曲線為凹曲線25000m，縱坡0.7%和2%，指標良好，均滿足技術標準規范要求。通過對該路段計算，擬設置聲屏障路段平曲線半徑大于停車視距要求的最小平曲線半徑， 平曲線提供的視距滿足停車視距要求。

全封閉聲屏障相對封閉、狹小，視區范圍窄，且受環境、噪聲污染普遍，駕駛人由開闊的自然空間進入狹窄的全封閉聲屏障空間后，容易產生壓抑感，在變道、超車、跟馳行駛等過程中，駕駛人易產生誤判，不利于行車安全。本項目在聲屏障段車道間采用白實線分隔，禁止車輛變道，有利于運行安全。同時在聲屏障入口前路側增設保持車間距警示標志，提醒車輛控制間距。

本項目設置的聲屏障為全封閉式，頂部采用透明材料，由于全封閉聲屏障路段內外環境的差異，駕駛人在出入口路段可能存在視線不連續的情況，對前方道路情況的認知水平低于其他路段，對車輛運行影響與隧道相似。因此設施方面風險分析仍參考隧道進行。本項目聲屏障路段長度為372m，按照《公路隧道設計規范》屬于短隧道。經核查路線前后全封閉聲屏障內外3s運行速度行程長度范圍的平縱面線形保持一致。

本項目主線均采用分車道、分車型管控措施，主線雙向八車道路段，內側兩車道僅供客車行駛，貨車只能在外側車道行駛。考慮到本項目聲屏障的影響，在入口處聲屏障內外各車道設置縱向減速標線，同時采用高亮標線，加強線型誘導。

2 全封閉段護欄安全風險分析

如圖1所示，聲屏障設置路段為雙向八車道，中央分隔帶寬度3m，設計速度120km/h，限速100km/h，平曲線半徑R=1800m，縱坡2%，車型構成和路基標準橫斷面布置見圖1，路側設置兩道混凝土護欄，中分帶設置分設式混凝土護欄。

圖1 路基標準橫斷面布置

對于高速公路行駛車輛而言，設置在中央分隔帶和路側的聲屏障立柱是一種障礙物，如果車輛碰撞護欄發生較大側傾，進而碰撞聲屏障立柱，不僅可能對車輛及駕乘人員造成傷害，還會危及聲屏障的結構安全。本次研究將根據《公路交通安全設施設計細則》[1](JTG/T D81—2017)的相關規定，結合以往相關研究成果以及車輛碰撞護欄數值仿真模擬，分析聲屏障處護欄設置的規范符合性，并評估車輛失控碰撞此處護欄以及聲屏障立柱的安全風險。

2.1 路側護欄

根據《公路交通安全設施設計細則》[1](JTG/T D81—2017)的規定，對于本項目路側存在居民區的情況，參照路側計算凈區寬度范圍內有高速鐵路、高速公路、高壓輸電線塔、危險品儲藏倉庫等設施，按照事故嚴重程度為高，本項目縱坡、平曲線半徑和總質量大于或等于 25t車輛自然數所占比例達不到考慮提高防護等級的條件，設計速度為120km/h 和 100km/h時護欄防護等級要求分別為SS級和SA級。路側護欄設置如圖2所示，設置兩道護欄，兩道護欄之間的凈距為 1.5m，護欄型式為《公路交通安全設施設計細則》[1]( JTG/T D81—2017 )規定的路基樁礎混凝土護欄，護欄高度1.1m，設計防護等級為SS級，滿足D81 設計細則規定的防護等級要求。

圖2 路側護欄設置

根據本次設計封閉式聲屏障平面布置，聲屏障立柱距離外側護欄的最小距離為0.926m，則聲屏障立柱距離內側護欄迎撞面的最小距離為：0.926+0.525+1.5+0.525=3.476m。根據SS級混凝土護欄的車輛碰撞仿真模擬結果，車輛最大動態外傾當量值(VIn)分別為：18t大型客車1.15m，33t大型貨車0.93m。對應的車輛碰撞時刻，車輛最大動態外傾當量值(VIn)小于聲屏障立柱距離內側護欄迎撞面的最小距離，滿足安全要求[2]。

2.2 中分帶護欄

中分帶護欄設置如圖3所示，設置分離式混凝土護欄，護欄高度1.6m，在高度1.1m 的F型坡面上方設置0.5m的豎直段，混凝土標號為C30，墻體配筋為豎向鋼筋，直徑16mm，間距20cm，型號為HRB400；縱向鋼筋直徑10mm設置28根，型號為HPB300。鋼管樁基礎規格為140×4.5mm，長度120cm，縱向間距為1m。

圖3 中分帶護欄設置

3 仿真碰撞分析

3.1 碰撞條件和安全性能指標

根據《公路交通安全設施設計規范》[3](JTG D81—2017)和《公路交通安全設施設計細則》[1](JTG/T D81—2017)規定，中央分隔帶寬度小于2.5m并采用分設式護欄形式，設有車輛不能安全穿越的障礙物(包括照明燈、攝像機、交通標志的支撐結構、上跨橋的橋墩等設施)時，事故嚴重程度等級為“中”，中央分隔帶護欄的防護等級應不低于SBm級。

仿真模型如圖4所示，混凝土護欄和聲屏障立柱按照實際尺寸和配筋建立仿真模型。按車輛實際尺寸建立有限元模型，車身結構主要是薄壁金屬構件，單元類型以擅長大變形的四邊形單點積分殼單元為主，根據車輛與護欄的碰撞接觸情況，對車輛的不同部位采用不同的單元特征長度劃分網格，在保證精度的前提下提高計算效率。用點焊連接，車門和車體通過鉸接點單元連接。碰撞仿真模擬計算采用國際上應用廣泛的非線性顯式動力學有限元分析程序LS-DYNA，采用基于懲罰函數法的Automatic_Single_Surface接觸類型解決邊界非線性問題。

圖4 車輛碰撞護欄和聲屏障立柱有限元模型

3.2 安全性能仿真模擬

基于聲屏障處護欄較不利碰撞車型和碰撞時刻的分析，由于大型貨車碰撞護欄和聲屏障立柱過程中，貨廂前部均未與聲屏障立柱發生碰撞，因此車輛失控碰撞中分帶護欄的安全風險總體較低。為進一步驗證中分帶護欄設置方案的安全性，按照實際護欄和聲屏障立柱的設置情況進行大型貨車碰撞全過程的仿真模擬。

大型貨車碰撞仿真模擬結果如圖5、圖6所示。車輛沒有穿越、翻越、騎跨護欄，沒有發生翻車、橫轉、掉頭現象，護欄混凝土出現壓碎破壞，車輛尾部碰撞聲屏障立柱時導致立柱輕微損壞，護欄構件及其脫離件沒有侵入車輛乘員艙，車輛順利導出，輪跡滿足導向駛出框要求。

圖5 大型貨車輪跡導向駛出框

圖6 大型貨車碰撞后護欄和聲屏障立柱變形損壞

3.3 分析結論

根據《公路交通安全設施設計細則》[1](JTG/T D81—2017)的規定，本項目路側護欄防護等級應不低于SS級，中分帶護欄的防護等級應不低于SBm級。原設計路側護欄的防護等級和車輛最大動態外傾當量值均滿足《公路交通安全設施設計細則》[1](JTG/T D81—2017)要求。

對于中分帶護欄，碰撞護欄和聲屏障立柱的較不利車型是大型貨車，較不利碰撞時刻是大型貨車貨廂前部碰撞立柱。由于護欄高度1.6m，大于大型貨車貨廂底板高度，有效降低車輛碰撞護欄后的側傾，在不同碰撞點位置，貨廂前部均未與聲屏障立柱發生碰撞，車輛失控碰撞中分帶護欄的安全風險總體較低。

按照實際護欄和聲屏障立柱的設置情況進行中型客車和大型貨車碰撞全過程的仿真模擬，車輛沒有穿越、翻越、騎跨護欄，沒有發生翻車、橫轉、掉頭現象，護欄混凝土出現壓碎破壞，大型貨車碰撞時聲屏障立柱輕微損壞，中型客車碰撞時聲屏障立柱無損壞，護欄構件及其脫離件沒有侵入車輛乘員艙，車輛順利導出，輪跡滿足導向駛出框要求。

綜上所述，本項目聲屏障處路側護欄和中分帶護欄設置均滿足《公路交通安全設施設計細則》[1](JTG/T D81—2017)的要求，車輛失控碰撞此處護欄以及聲屏障立柱的安全風險較低。