Nghiên cứu phương pháp tính toán hiệu quả tường chống ồn trên cao tốc trong giai đoạn vận hành

Tóm tắt

Bài viết trình bày kết quả tính toán sơ bộ hiệu quả của tường chống ồn chiều cao 2m, 3m và 4m (tính từ mặt đường) trên cao tốc đoạn Pháp Vân – Cầu Giẽ bằng phương pháp Mô hình ASJ Model 2003. Kết quả cho thấy tình trạng ô nhiễm tiếng ồn đã xuất hiện trong giai đoạn hiện nay. Khi sử dụng tường chống ồn cao 2m, mức ồn tại tầng 3 các khu dân cư (KDC) dọc tuyến [nằm ngoài ranh giải phóng mặt bằng (cách tim đường ≥ 34m về phía phải tuyến và ≥ 32,8m về phía trái tuyến)] đều xấp xỉ hoặc nằm trong hạn cho phép. Khi sử dụng tường chống ồn cao 3m, mức ồn tại các khu dân cư dọc tuyến nằm trong giới hạn cho phép (70dBA). Khi sử dụng tường chống ồn cao 4m, hiệu quả giảm ồn đến các đối tượng này tăng thêm 1÷ 2,4dBA.

Từ khóa:Cao tốc, tiếng ồn, tường chống ồn, giảm thiểu tiếng ồn.

1. Mở đầu

Bức tường chắn tiếng ồn, là các cấu trúc bên ngoài được thiết kế để bảo vệ các khu vực nhạy cảm, hoặc khu vực đông dân cư khỏi ô nhiễm tiếng ồn. Đây là phương pháp hiệu quả nhất để giảm các nguồn tiếng ồn đường bộ, đường cao tốc, đường sắt và tiếng ồn công nghiệp nhằm giảm ô nhiễm âm thanh và môi trường. Đối với đường cao tốc, việc lắp tường chống ồn, với mục đích nhằm giảm thiểu tiếng ồn từ dòng xe vận hành trên đường lan truyền ra khu vực xung quanh và KDC sinh sống ngay cạnh đường cao tốc.

Trong giai đoạn vận hành, tiếng ồn phát sinh từ các phương tiện giao thông khi chạy trên đường thường không ổn định (thay đổi rất nhanh theo thời gian) và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như lưu lượng xe, loại xe, đặc điểm đường và địa hình xung quanh… Vì vậy, phương pháp thường dùng hiện nay tính toán trị số mức ồn tương đương trung bình tích phân trong một khoảng thời gian để đánh giá mức ồn nguồn dạng tuyến từ dòng xe vào giờ cao điểm.

2. Phương pháp tính toán

Hiện nay trên thế giới có nhiều phương pháp và công thức tính toán hiệu quả chống ồn, đối với bài báo này chúng tôi sử dụng Mô hình (phần mềm) ASJ Model 2003 (bản dùng cho nghiên cứu) để tính toán.

Mô hình ASJ Model 2003 được sử dụng để dự báo mức ồn tương đương (Leq) trung bình trong 1 giờ (dBA) tại các vị trí nhạy cảm dọc tuyến. Mô hình này được phát triển bởi “Acoustic Society of Japan” (ASJ) và đang được sử dụng rộng rãi tại Nhật Bản. Phương pháp tính của mô hình ASJ Model 2003 được trình bày dưới đây.

–Phương pháp dự đoán và công thức tính:

Mức ồn do một phương tiện giao thông gây ra được tính theo công thức sau:

Trong đó:

• LAE: Mức ồn trung bình phát sinh từ một phương tiện giao thông trong một thời gian nhất định

• Dti: khoảng thời gian tính LAE

• Li: mức ồn nguồn trong thời gian Dti

Mức ồn tương đương trung bình của dòng xe được tính theo công thức sau:

Leq = LAE +10 lgN -10 lg (T/t0)

Trong đó :

• N: Lưu lượng xe

• Leq: Mức ồn tương đương trung bình, dBA

• T, t0: thời gian tính theo s (t0 =1s)

• Quá trình tính toán đã được lập trình hóa.

Chương trình tính mức ồn đã được lập trình hóa trên máy tính.

Công suất được tính theo công thức sau, áp dụng cho dòng xe liên tục, vận tốc ổn định từ 40 ÷ 140km/h):

LWA= 46,7 + 30log10V (Cho xe nhỏ như xe máy, xe ô tô con);

LWA= 53,2 + 30log10V (Cho xe lớn như xe buýt, xe tải);

V: là tốc độ xe.

–Hệ số đầu vào của Model

+ Lưu lượng xe dự báo vào năm 2035 trong giờ cao điểm (Bảng 1)

+ Tốc độ dòng xe dự báo trong giờ cao điểm (Bảng 2)

+ Các thông tin về kết cấu; bản vẽ mặt cắt ngang điển hình của tuyến đường cao tốc Pháp Vân – Cầu Giẽ.

Trình tự dự đoán của mô hình ASJ Model 2003 áp dụng cho tuyến cao tốc như sau:

3. Tính toán hiệu quả chống ồn cho đoạn cao tốc Pháp Vân – Cầu Giẽ

3.1. Phạm vi tính toán

Điểm đầu: Km182+300, tại vị trí nút giao Pháp Vân giao giữa đường Pháp Vân – Cầu Giẽ với đường Vành đai 3 của Hà Nội.

Điểm cuối: Km211+256 (tại Km211+000 của tuyến cao tốc Cầu Giẽ – Ninh Bình).

Tổng chiều dài: Khoảng 29Km.

3.2. Quy mô tiêu chuẩn thiết kế

Căn cứ Quyết định số 3086/QĐ-BGTVT ngày 4/10/2013 của Bộ Giao thông vận tải, tuyến đường Pháp Vân – Cầu Giẽ được thiết kế như sau:

– Tuyến chính: đường cao tốc vận tốc 100 km/h theo tiêu chuẩn đường cao tốc TCVN5729-2012 (có châm chước tĩnh không đứng dưới cầu vượt đường cao tốc và chiều dài dốc dọc theo TCVN5729-1997).

– Đường gom: đường cấp VI đồng bằng, vận tốc 30 km/h theo tiêu chuẩn TCVN 4054:2005.

– Quy mô mặt cắt ngang:

*Tuyến chính:

*Đường gom:

Quy mô mặt cắt ngang theo tiêu chuẩn đường cấp VI đồng bằng:

3.3. Dự báo lưu lượng giao thông đến năm 2035 trên tuyến

Kết quả dự báo được thể ở bảng sau:

Bảng 1. Dự báo lưu lượng giao thông

ĐoạnLoại xeNăm 2035Cao tốcĐường gomTổng

Ghi chú:

(1) Xe nhỏ = xe máy/2 + xe con. (Nguồn:

– Phạm Ngọc Đăng (2003), “Môi trường không khí”, trang 353;

– Ngô Quang Dự, Vũ Văn Khoát, Nguyễn Tuấn Kiệt (2018)“Tạp chí Giao thông số 05/2018. Mục Khoa học Công nghệ. Nghiên cứu xác định độ ồn của xe mô tô hai bánh khi chuyển động trên đường bê tông nhựa tại khu vực Hà Nội”, trang 77: ở vận tốc V=10 ÷ 40km/h, LWA Wave RSX = 38,8+5,94lgV, LWA Vespa Lx125 = 38,9+5,95lgV)

(2) Xe lớn = xe khách + xe tải

(3) Lưu lượng xe trên đường gom năm 2018 được tính bằng 88 ÷ 91% so với năm 2020

Nguồn dữ liệu:Kết quả dự báo củaTổng Công ty TVTK GTVT – CTCP (TEDI)

Bảng 2. Vận tốc dòng xe dự báo trong giờ cao điểm

Nguồn dữ liệu:Kết quả dự báo củaTổng Công ty TVTK GTVT – CTCP (TEDI)

3.4. Dự báo mức ồn vào năm 2035

Khu dân cư dọc tuyến Dự án [nằm ngoài ranh giải phóng mặt bằng (cách tim đường ≥ 34m về phía phải tuyến và ≥ 32,8m về phía trái tuyến)] chủ yếu sinh sống trong các căn nhà từ 1 đến 3 tầng. Kết quả tính mức ồn trong giai đoạn khai thác đến các đối tượng này được thể thiện trong bảng dưới. Kết quả dự báo được so sánh với QCVN 26:2010/BTNMT, giới hạn ồn cho phép với khu vực thông thường vào ban ngày là 70dBA.

Minh họa về dự báo mức ồn phát sinh từ hoạt động của dòng xe trong giai đoạn vận hành được trình bày trong hình dưới.

Bảng 3. Dự báo mức ồn từ vận hành dòng xe

Ghi chú:

(1) Khoảng cách tính từ ranh GPMB sang hai bên (ranh GPMB cách tim đường 34m về phía phải tuyến và 32,8m về phía trái tuyến).

(2) Độ cao từ mặt đất.

Giá trị được đánh dấu: Mức ồn vượt giới hạn cho phép (GHCP) theo QCVN 26:2010 (70dBA)

KDC dọc tuyến Dự án chủ yếu sinh sống trong các căn nhà từ 1 đến 3 tầng; so sánh kết quả dự báo với GHCP theo QCVN 26/2010/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về tiếng ồn, mức 70dBA vào ban ngày, thấy rằng vào giờ cao điểm (trường hợp mức ồn cao):

– Mức ồn tác động đến người dân sinh sống tại tầng 1 (1,5m) các căn nhà gần nhất (nằm sát ranh giải phóng mặt bằng) thấp hơn GHCP do tầng này nằm thấp hơn đáng kể so với mặt đường (mặt đường cao tốc cao hơn so với mặt đất xung quanh tại khu dân cư khoảng từ 3,7 ÷ 4,1m);

– Người dân sinh sống tại các tầng nhà thứ 2 (4,5m) và tầng thứ 3 (7,5m) các căn nhà này sẽ bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn với mức ồn vượt GHCP tối đa 4,3dBA (đoạn Pháp Vân ÷ Thường Tín); 3,6dBA (đoạn Thường Tín ÷ Vạn Điểm) và 2,9dBA (đoạn Vạn Điểm ÷ Cầu Giẽ).

4. Biện pháp giảm thiểu tác động của tiếng ồn trong giai đoạn vận hành

a. Đối với các căn nhà thấp tầng

Việc lắp đặt tường chống ồn chiều cao 2m, 3m và 4m (tính từ mặt đường) ở vai đường cao tốc, nhằm giảm thiểu mức ồn lan truyền từ đường sang các đối tượng hai bên đường. Kết quả dự báo được trình bày tại bảng dưới.

Bảng 5. Dự báo mức ồn sau khilắp tường chống ồncao 2m

Ghi chú:

(1) Khoảng cách tính từ ranh GPMB sang hai bên (ranh GPMB cách tim đường 34m về phía phải tuyến và 32,8m về phía trái tuyến).

(2) Độ cao từ mặt đất

Giá trị được đánh dấu: mức ồn vượt GHCP theo QCVN 26:2010 (70dBA)

Bảng 6. Dự báo mức ồn sau khi lắptường chống ồncao 3m

Ghi chú:

(1) Khoảng cách tính từ ranh GPMB sang hai bên (ranh GPMB cách tim đường 34m về phía phải tuyến và 32,8m về phía trái tuyến).

(2) Độ cao từ mặt đất

Giá trị được đánh dấu: mức ồn vượt giới hạn cho phép (GHCP) theo QCVN 26:2010 (70dBA)

Bảng 7. Dự báo mức ồn sau khi lắp tường chống ồn cao 4m

Ghi chú:

(1) Khoảng cách tính từ ranh GPMB sang hai bên (ranh GPMB cách tim đường 34m về phía phải tuyến và 32,8m về phía trái tuyến).

(2) Độ cao từ mặt đất

Giá trị được đánh dấu: mức ồn vượt giới hạn cho phép (GHCP) theo QCVN 26:2010 (70dBA)

So sánh hiệu quả giảm ồn ứng với chiều cao tường cho thấy:

Khi sử dụng tường chống ồn cao 2m, mức ồn tại tầng 3 các căn nhà đều xấp xỉ hoặc nằm trong hạn cho phép (GHCP). Điều kiện này đạt được trong trường hợp tuổi của lớp mặt đường thoát nước (mặt đường bê tông asphalt rỗng) được duy trì ở mức ≤ 2 năm. Sau khoảng thời gian này, tình trạng tắc lỗ rỗng (do bùn đất) và vỡ lỗ rỗng (do xe chạy) sẽ làm giảm khả năng hút âm của mặt đường, qua đó mức ồn tác động đến tầng 3 các căn nhà dọc tuyến vượt GHCP (với lớp mặt đường asphalt rỗng 3 năm tuổi, mức ồn tác động vượt GHCP tối đa 0,3dBA và chỉ xuất hiện vào giờ cao điểm).

Khi sử dụng tường chống ồn cao 3m, mức ồn tại các KDC dọc tuyến nằm trong GHCP (70dBA). Mức ồn tác động lên các KDC này duy trì ở mức ≤ 70dBA ngay cả khi không đi kèm các yêu cầu về độ rỗng của mặt đường thoát nước.

Khi sử dụng tường chống ồn cao 4m, hiệu quả giảm ồn đến các đối tượng này tăng thêm 1÷ 2,4dBA, hiệu quả chống ồn đạt được cho cả các căn nằm sát ranh giải phóng mặt bằng cao từ 4 tầng trở lên (trong trường hợp các căn nhà mới cao hơn tiếp tục mọc lên sát ranh giải phóng mặt bằng). Tuy nhiên, trong thực tế, trong hành lang an toàn (17m tính từ ranh giải phóng mặt bằng) không được phép xây dựng các công trình; đến năm 2035 sẽ không xuất hiện căn cao tầng nằm sát ranh GPMB. Do vậy, việc bố trí tường chống ồn với chiều cao 4m là không tối ưu giữa hiệu quả giảm ồn và chi phí.

Kiến nghị lựa chọn phương án tường chống ồn cao 3m (tính từ mặt đường) để giảm ồn cho các nhà thấp tầng tại các khu dân cư dọc tuyến. Tường chống ồn cao 3m có thể giảm mức ồn tác động lên các khu vực này nằm xuống dưới GHCP mà không đi kèm với các yêu cầu bảo dưỡng, sửa chữa định kỳ đối với lớp mặt đường bê tông asphalt rỗng; đồng thời tối ưu về giữa hiệu quả giảm ồn và chi phí.

b. Đối với các tòa nhàcao tầng(từ 5 tầng trở lên)

Việc lắp đặt tường chống ồn được nghiên cứu với trường hợp (i) đồng bộ với toàn tuyến với chiều cao 3m; (ii) trường hợp chiều cao 4m ở vai đường cao tốc và (iii) trường hợp chiều cao 6m ở vai đường cao tốc.

Bảng 8. Mức ồn tại các tòa nhà cao tầng sau khi lắp đặt tường chống ồn cao 3m

(*) Độ cao tính từ mặt đất

    Giá trị được đánh dấu: mức ồn vượt GHCP theo QCVN 26:2010 (70dBA)

Bảng 9. Mức ồn tại các tòa nhà cao tầng sau khi lắp đặt tường chống ồn cao 4m

(*) Độ cao tính từ mặt đất

(*) Độ cao tính từ mặt đất

Giá trị được đánh dấu: mức ồn vượt giới hạn cho phép (GHCP) theo QCVN 26:2010 (70dBA)

So sánh hiệu quả giảm ồn ứng với chiều cao tường cho thấy:

Tường chống ồn cao 3m có hiệu quả giảm ồn đáng kể (giảm ≥ 1dBA) đối với các tầng từ 1 ÷ 9. Sau khi lắp đặt tường chống ồn, một số căn nhà từ tầng 5 ÷ 14 vẫn bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn, với mức ồn vượt giới hạn cho phép (GHCP) tối đa 2,3dBA và mức ồn này chỉ xuất hiện trong giờ cao điểm;

Tường chống ồn cao 4m có hiệu quả giảm ồn đáng kể (giảm ≥ 1dBA) đối với các tầng từ 1 ÷ 12. Sau khi lắp đặt tường chống ồn, các căn nhà từ tầng 6 ÷ 14 bị ảnh hưởng không lớn bởi tiếng ồn, với mức ồn vượt GHCP tối đa 1,7dBA và mức ồn này chỉ xuất hiện trong giờ cao điểm ;

Tường chống ồn cao 6m có hiệu quả giảm ồn đáng kể (giảm ≥ 1dBA) đối với các tầng từ 1 ÷ 17. Sau khi lắp đặt tường chống ồn, các căn nhà từ tầng 8 ÷ 12 bị ảnh hưởng không lớn bởi tiếng ồn, với mức ồn vượt GHCP tối đa 0,7dBA và mức ồn này chỉ xuất hiện trong giờ cao điểm;

Các điều kiện trên đạt được trong trường hợp tuổi của lớp mặt đường thoát nước (mặt đường bê tông asphalt rỗng) được duy trì ở mức ≤ 2 năm (yêu cầu bảo dưỡng/ sửa chữa định kỳ lớp mặt đường thoát nước).

Như vậy, việc gia tăng chiều cao tường chống ồn lên trên 4m (bao gồm cả chiều cao bệ) không làm tăng đáng kể hiệu quả giảm ồn. Ngoài ra, việc thiết kế tường chống ồn với chiều cao quá lớn là không khả thi và không phù hợp do các vấn đề liên quan đến chịu lực, gió và mỹ quan.

Kiến nghị lựa chọn phương án tường chống ồn cao 4m (tính từ mặt đường) để giảm ồn cho các tòa nhà cao tầng ở đầu tuyến do phương án này khả thi và hiệu quả.

5. Kết luận

– Việc dự báo tiếng ồn sử dụng mô hình ASJ đã giải quyết được nhiều vấn đề mà công thức dự báo ồn đơn giản TCVN 5729:2012 về đường ô tô cao tốc – Yêu cầu và thiết kế không giải quyết được với các tuyến có cấu trúc phức tạp như nền đường đắp cao, đường chia thành nhiều làn với lưu lượng và bố trí các làn khác nhau, chiều cao của các đối tượng tiếp nhận tiếng ồn…

– Đối với dự báo mức ồn tác động theo lưới khoảng cách và chiều cao đã chỉ ra được các đối tượng bị ảnh hưởng lớn bởi tiếng ồn dọc đường cao tốc là các đối tượng nằm gần hành lang an toàn, có chiều cao bằng hoặc cao hơn nền đường. Tùy thuộc vào các đối tượng và mức ồn bị ảnh hưởng, có thể nghiên cứu các giải pháp giảm ồn phù hợp với điều kiện thực tế như lắp đặt tường chống ồn để tiếng ồn tác động đến các đối tượng chủ yếu chỉ còn là thành phần nhiễu xạ qua đỉnh tường; thảm mặt đường bê tông asphalt rỗng để hút âm hay kết hợp bổ sung các giải pháp về quản lý (hạn chế còi xe)… và lựa chọn được giải pháp tối ưu giữa kinh tế và hiệu quả giảm ồn.

Tài liệu tham khảo

1. Thiết kế kỹ thuật, hạng mục tường chống ồn Dự án cao tốc Pháp Vân – Cầu Giẽ, Tổng Công ty  Tư vấn thiết kế GTVT – CTCP

2. TCVN 5729:2012 về Đường ô tô cao tốc – Yêu cầu và thiết kế

3. Phạm Ngọc Đăng (2003), “Môi trường không khí”, trang 353;

4. Ngô Quang Dự, Vũ Văn Khoát, Nguyễn Tuấn Kiệt (2018)“Tạp chí Giao thông số 05/2018. Mục Khoa học Công nghệ. Nghiên cứu xác định độ ồn của xe mô tô hai bánh khi chuyển động trên đường bê tông nhựa tại khu vực Hà Nội”.

TS. Lê Xuân Thái

Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải

ThS. Nguyễn Đình

Trung tâm Môi trường, Tổng Công ty  Tư vấn  thiết kế GTVT – CTCP (TEDI)

RESEARCH METHODS OF CALCULATION OF NOISE WALL RESISTANCE ON EXPRESSSWAY IN THE OPERATION PHASE

Dr. Le Xuan Thai

University of Transport Technology

MSc. Nguyen Dinh

Environmental Center, Transport Engineering Design Incorporated (TEDI)

Summary

This article presents the preliminary calculation results of the effectiveness of the noise-proof walls with the height of 2m, 3m and 4m (from the road surface) on the Phap Van – Cau Gie expressway using the ASJ Model 2003 method. noise pollution has appeared in the current period. When using a 2m high noise-proof wall, the noise level on the 3rd floor of the houses is approximately or within the allowable limit. When using a 3m high noise-proof wall, the noise level in residential areas along the route is within the allowable limit (70dBA). When using a 4m high noise-proof wall, the noise reduction effect for these objects increases by 1÷ 2.4dBA.

Key word: Highway, Noise, Anti-noise wall, Noise reduction.