Omówienie wyników pomiarów hałasu Południowej Obwodnicy Warszawy (S2) i ocena zabezpieczeń w rejonie węzła Patriotów I Omówienie pomiarów hałasu III Wnioski

Część II Ochrona przed hałasem

Z przedstawionych bezpośrednich pomiarów w terenie jasno wynika niedostateczny stopień ochrony przed hałasem terenów sąsiadujących z Południową Obwodnicą Warszawy.

Przedstawione przez projektantów modele propagacji zanieczyszczeń akustycznych w zestawieniu z doświadczeniem okazały się rażąco błędne. W praktyce naukowej (ale też życiowej) wszelkie przewidywania i modele, które okazały się nieprawdziwe należy bez zwłoki i bez żadnych sentymentów odrzucić.

Jednocześnie potrzebny jest plan naprawy zaistniałych szkód. Opiera się on w pierwszym rzędzie na usunięciu jak największej liczby przyczyn nadmiernego hałasu.

5 Opis istniejących zabezpieczeń

Południowa Obwodnica Warszawy (POW) na odcinku wawerskim przebiega w dużej części przez dość gęsto zamieszkane obszary. Szczególnie w rejonie węzłów (Wał Miedzeszyński i Patriotów) wiele posesji przylega do POW.

Dla ochrony przed hałasem zastosowano miejscami ekrany akustyczne oraz wały ziemne. Mają one zmieniające się wysokości, w wielu miejscach znikają zupełnie (np. pod wiaduktami).

Ekrany i wały zostały w wielu miejscach nasadzone roślinami pnącymi. Nasadzenia krzewów w rejonie węzłów mają raczej charakter ozdobny i nie wpływają na poprawę parametrów akustycznych terenu.

W rejonie węzła Patriotów nawierzchnia S2 jest betonowa, a więc bardzo głośnia. Miejscami nawierzchnia S2 bywa asfaltowa, czyli cichsza, co można uznać za rodzaj zabezpieczenia.

Na odcinku wawerskim istnieje ograniczenie szybkości do $\text{100}\frac{km}{h}$ . Mniejsza szybkość pojazdów zmniejsza emisję hałasu.

6 Przyczyny nadmiernego hałasu

Nadmierny hałas S2 jest spowodowany wieloma przyczynami. Zostaną omówione kolejno.

6.1 Błędny model hałasu, brak ekranów

W czasie projektowania S2 powstał model propagacji hałasu opracowany przez podwykonawców inwestycji (MP Mosty i Arkadis), Rys.6.1. Model nie był konsultowany z mieszkańcami.

{sidewaysfigure}

Oryginalny model propagacji hałasu w rejonie ulic Mszańskiej i Bonisławskiej. Pomiary hałasu zlecone przez Gminę Wawer dowiodły wadliwości modelu. Widoczne izofony wskazują, że model uwzględnia budynki i obiekty inżynieryjne wyniesione ponad poziom gruntu, osadzone w jednolitym ośrodku (las, widoczny jako jednolite tło). W praktyce wycięto ogromne przestrzenie lasu, eksponując osiedle Sosnowy Zakątek na bezpośredni hałas drogi S2, będącej w linii wzroku.

Model okazał się błędny. Wadliwości modelu propagacji hałasu dowodzą:

1.

bezpośrednie pomiary poziomu hałasu w terenie, które wykazały niezgodność stanu faktycznego z modelem w conajmniej 5-ciu na 9 mierzonych punktów nim objętych, Tab.1
2.

izofony widoczne na modelu, które wskazują na jego braki.

Izofony są to linie, wzdłuż których natężenie dźwięku jest takie samo. Przebieg izofon na mapie propagacji hałasu (Rys.6.1) wskazuje, że uwzględnia ona wyłącznie obiekty inżynieryjne wyniesione ponad poziom gruntu (np. wiadukt i budynki), prawdopodobnie zanurzone w modelowym jednolitym ośrodku akustycznym (las widoczny jako tło mapy). Izofony na północ od drogi praktycznie równoległe do jej osi wskazują, że nie uwzględniono wpływu wycięcia lasu w rejonie zbiornika wodnego (trójkątny obszar obok wiaduktu). Sposób zagięcia izofon w okolicy wiaduktu i innych obiektów wskazuje, że nie uwzględniono odbić fal.

Obraz modelu sugeruje, że powstał on w oparciu o proste założenia, czyli: wstęga autostrady jako jednolite źródło fali rozchodzącej się po liniach prostych, zanikającej odwrotnie do odległości od źródła i całkowicie znikającej na wysokich, sztywnych obiektach (cień akustyczny). Najpewniej takie założenia zostały zaimplementowane w oprogramowaniu, z którego korzystali projektanci. Oczywiście, trudno winić użytkownika za wady software’u, niemniej można było chociaż usunąć z modelu las, o którym było wiadomo, że zostanie wycięty.

Prawdę mówiąc i to niewiele by pomogło, ponieważ model najwyraźniej pomija odbicia fal, dyspersję (inną propagację dla każdej częstotliwości), ugięcia fal (dyfrakcja) na mniejszych przeszkodach czy wzmocnienia/wygaszania interferencyjne na regularnych “siatkach dyfrakcyjnych” lasu (drzewa w lesie miedzeszyńskim sadzono “pod sznurek”, w równych odstępach).

Obliczenie modelu propagacji fal zbliżonego do rzeczywistości nie jest rzeczą prostą. Szum pojazdów to prawie szum biały, czyli zawierający większość widma akustycznego (wymieszane różne częstotliwości). Fala dzwiękowa ma długość od kilku centymetrów do kilkunastu metrów, zależnie od częstotliwości. Ugięcia fal są najbardziej efektywne na obiektach o wielkości podobnej do długości fali. Zatem na drzewach ugną się fale kilohercowe, a na budynkach kilkudziesięciohercowe. Do tego dochodzą ugięcia na krawędziach obiektów (np. ekranów akustycznych) i odbicia wtórne (TIR→ekran→naczepa TIRa→krawędź ekranu).

W wyniku błędnego modelu powstały długie odcinki POW bez żadnej ochrony przed hałasem, ponieważ model wskazał, że taka ochrona nie będzie potrzebna.

6.1.1 Rozwiązanie: uzupełnienie brakujących ekranów

Wadliwego modelu nie warto już poprawiać. Miał służyć do przewidzenia gdzie powinny stanąć ekrany - i zawiódł. Dziś wiadomo gdzie są konieczne z bezpośrednich pomiarów hałasu.

Ekrany powinny szczelnie otoczyć zamieszkane okolice. Na Rys.6.1.1,10,11 zaznaczono czerwonymi liniami brakujące fragmenty ekranowania. Część brakujących ekranów może powstać dzięki przeniesieniu istniejących, co mogłoby ograniczyć koszty.

Najskuteczniejszym rozwiązaniem byłyby ekrany bez krawędzi, czyli tunel podobny do tego na Trasie Toruńskiej, Rys.12. Takie rozwiązanie ma szansę zagwarantować poziomy hałasu w granicach norm obowiązujących w czasie budowy domów w sąsiedztwie S2 (prawa nabyte) i uniknąć konieczności kolejnej przebudowy po możliwych wyrokach w tej sprawie.

{sidewaysfigure}

[ph] [Uncaptioned image] Węzeł Patriotów Południowej Obwodnicy Warszawy (S2). Kolorem czerwonym oznaczono brakujące fragmenty ekranów akustycznych. Nieciągłości ekranowania powodują uciążliwość akustyczną (zanieczyszczenie) dla okolicznych zabudowań, która znacznie przekracza dopuszczalne normy.

Refer to caption — Rysunek 10: Fragment węzła Patriotów Południowej Obwodnicy Warszawy (S2). Kolorem czerwonym oznaczono brakujące fragmenty ekranów akustycznych. Nieciągłości ekranowania powodują uciążliwość akustyczną (zanieczyszczenie) dla okolicznych zabudowań, która znacznie przekracza dopuszczalne normy.

6.2 Nieciągłości ekranowania

W niektórych miejscach, m.in. pod wiaduktami, są przerwy w ekranach akustycznych.

Powstanie takich przerw może tłumaczyć uproszczony model propagacji hałasu użyty podczas projektowania zabezpieczeń. Model zdaje się zakładać propagacje fal w liniach prostych (po co ekran, skoro nasyp wiaduktu daje cień akustyczny?).

6.2.1 Rozwiązanie: eliminacja nieciągłości

Samo pojęcie ciśnienia akustycznego nasuwa skojarzenie z mechaniką płynów. Istotnie, nawet nieznaczne rozszczelnienie szczelnego okna w budynku przy ruchliwej ulicy powoduje skokowy wzrost hałasu, chociaż żadnej “dziury” nie widać. Fala sączy się niewidoczną szczeliną jak woda. Podobnie działały na parowcach rury głosowe do komunikacji mostku z maszynownią - fala propaguje się znakomicie i nie potrzebuje prostej drogi.

Dziura w ekranie akustycznym ma tyle sensu co dziura w dachu podczas deszczu.

Nawet nieduża, kilkumetrowa nieciągłość w ekranie zaprzepaszcza efekt uzyskany przez dziesiątki metrów ekranu po obu jej stronach. Nieciągłości ekranowania to nie tylko nonsens w sensie fizyki fal ale także ogromne marnotrawstwo pieniędzy wydanych na sąsiadujące z nieciągłością ekrany.

To samo dotyczy prześwitu pomiędzy górną granicą ekranu a spodem wiaduktu. Odbicia od wiaduktu ponad ekranem są świetnym oknem transmisji hałasu.

Należy wyeliminować wszelkie nieciągłości ekranowania. Przerwa pomiędzy ekranami nie powinna być większa niż pojedyncze centymetry, tj. powinna być dużo mniejsza od grubości samego ekranu i nie większa od długości najkrótszej propagującej się fali (dla $10kHz$ będzie to $3cm$ ). Najprościej jest po prostu założyć brak przerw w ekranowaniu.

W szczególny sposób uwaga ta dotyczy ekranów przechodzących pod wiaduktami. Tam poprzeczna propagacja fal jest znacznie silniejsza ze względu na odbicia od spodu wiaduktu.

Należy wyeliminować prześwity pomiędzy górną krawędzią ekranu a spodem wiaduktu. Podniesienie krawędzi ekranu w pobliże spodu wiaduktu i uszczelnienie przerwy elastycznym ale dość ciężkim materiałem (np. gumowym fartuchem) jest tanim i skutecznym sposobem na ochronę akustyczną takich połączeń.

Z ekonomicznego punktu widzenia, należy przyjąć, że pojedyncza nieciągłość ekranowania “kasuje” efektywność $100m$ ekranu po każdej jej stronie. Dlatego ekran powinien się kończyć daleko za ostatnim chronionym punktem.

6.3 Wysokość ekranowania

Wysokość ekranów jest zbyt mała.

Zbyt mała wysokość wynika prawdopodobnie z uproszczonego modelu propagacji hałasu. Model zdaje się zakładać lokalizację źródła dźwięku blisko nawierzchni (opony + układ jezdny) oraz brak odbić.

6.3.1 Rozwiązanie: ekrany $8m$

Istotnym źródłem hałasu są ciężarówki i autobusy. Mają one kształt prawie dokładnie prostopadłościenny. Boczne ściany są płaskie i mają wysokość do $4m$ . To powoduje możliwość wtórnych odbić (podwozie→ekran→bok tira→ekran). W takim przypadku efektywne źródło dźwięku przemieszcza się z okolic podwozia wyżej, nawet o $3-4m$ .

Do wysokości ekranów należy doliczyć przesunięcie wynikające z wtórnych odbić od wysokich, płaskościennych pojazdów. Dla zapewnienia skutecznej ochrony ekrany powinny mieć wysokość nie mniejszą od $5-8m$ , zależnie od chronionego terenu. W terenie zamieszkanym konieczna jest wysokość $8m$ .

6.4 Krawędzie ekranów

Krawędzie ekranów są krytycznym punktem w propagacji hałasu. Są one wtórnym źródłem dźwięku (zasada Huygensa). W przypadku S2 krawędzie są po prostu płaskie, czyli idealnie spełniają rolę emiterów.

6.4.1 Rozwiązanie: tunel, chevrons lub nasadzenia

Co do zasady, redukcja hałasu przechodzącego z drogi na zewnątrz (transmisja) może się odbywać przez:

•

odbicie - fala wraca skąd przyszła (tak działają ekrany lub tunele całą swoją powierzchnią)
•

rozproszenie (dyfrakcję) - mały obiekt staje się źródłem wtórnej fali kulistej w efekcie czego fala (jako złożenie pierwotnej i wtórnej) zmienia kierunek i zwykle się przy tym osłabia
•

interferencyjną anihilację - wtórne fale z rozproszeń na małych obiektach są w przeciwfazie i znikają (albo się wzmacniają…)
•

absorpcję - obiekt rozpraszający wzbudzony falą sam zaczyna drgać i, przy spełnieniu pewnych warunków, zamiast emitować wtórną falę zmienia część energii dźwięku w jakąś inną jej formę (najczęściej ciepło).

Najlepszym rozwiązaniem byłaby… eliminacja krawędzi. Tą metodę zastosowano na Trasie Toruńskiej nabudowując ekrany w formie zamkniętego tunelu, Rys.12.

Nędzną namiastką powyższego jest nachylenie górnej krawędzi ekranu w kierunku źródła hałasu (do drogi).

Innym rozwiązaniem jest nadanie ekranowi nierównej krawędzi prowokującej odbicie, rozpraszanie (dyfrakcję) i (w pewnej mierze) absorpcję hałasu. Podobną technikę stosuje się w silnikach lotniczych (tzn. chevrons), co ogranicza emisję hałasu o $2-3dB$ ⁵⁵ 5 https://www.mdpi.com/2076-3417/11/11/5158, Rys.12. Tutaj uzyski byłyby mniejsze ale wciąż warte zachodu.

Na wierzchołku wałów ziemnych można też stosować jakieś elementy o nieregularnych kształtach, np. gęste nasadzenia. Łodygi i liście musiałyby być dość ciężkie i sztywne w porównaniu do ciśnienia akustycznego, które miałyby tłumić lub rozpraszać. Obiekty zbyt lekkie i wiotkie (np. trawa) będą się po prostu “bujać” razem z falami dźwiękowymi nie stanowiąc dla nich przeszkody. Będą “przeźroczyste” dla fal.

Np. dla rozpraszania (dyfrakcji) lub absorpcji hałasu $70dB$ łodygi i liście musiałyby pokonać nacisk porównywalny z ciśnieniem akustycznym tego hałasu, a więc:

p_{70dB}=10^{7}\cdot 2\cdot 10^{-3}\frac{g}{m^{2}}=2\cdot 10^{4}\frac{g}{m^{2}% }=2\frac{g}{cm^{2}}

Zatem sztywne i gęste liście lub łodygi zdolne oprzeć się naciskowi $2\frac{g}{cm^{2}}$ zasadzone na krawędziach wałów ziemnych mogłyby absorbować lub rozpraszać hałas. Przez “ $cm^{2}$ ” należy rozumieć powierzchnię rośliny skierowaną w kierunku nadchodzącego hałasu (tzw. przekrój czynny). Liście czy łodygi powinny być gęste, tj. prześwity pomiędzy nimi powinny być porównywalne z długością najkrótszej fali (dla $10kHz$ to ok. $3cm$ ).

Elementy rozpraszające powinny być niesprężyste. Dlatego wykonanie ich np. ze sztywno połączonych części metalowych nie byłoby skuteczne - dźwięk propagowałby się w metalu. Raczej guma, gęsta gąbka lub jakieś rośliny będą pracować jednocześnie jako absorbent i centra rozpraszania.

6.5 Nawierzchnia

Przejazd samochodem drogą S2, najlepiej z uchylonym oknem, jest najszybszym testem na istnienie zależności hałasu od nawierzchni drogi. Przejazd odcinkami asfaltowymi (np. most na Wiśle) jest wyraźnie cichszy od jazdy po nawierzchni betonowej. Pobieżny przegląd literatury fachowej potwierdza tę tezę. Dlatego dziwi, że projektanci wybrali nawierzchnię betonową akurat na odcinkach sąsiadujących z osiedlami (np. rejon węzła Patriotów).

6.5.1 Rozwiązanie: warstwa wyciszająca

Istnieje bogata dokumentacja na temat zależności hałasu od nawierzchni dróg. Istnieje też całe spektrum technologi możliwych do użycia, dzięki którym emisję hałasu można zmniejszyć nawet o $10dB$ . Kilka z nich to:

•

mieszanki mineralno-asfaltowe z dodatkiem rozdrobnionej gumy lub poroelastyczne (do $10dB$ ciszej)
•

dwuwarstwowe asfalty porowate są cichsze od nawierzchni standardowych (do $8dB$ )
•

zmniejszenie rozmiaru ziarna mieszanki o każdy $1mm$ zmniejsza hałas o $0.25dB$
•

ujemna makrotekstura warstwy zmniejsza hałas.

Należy dokładnie wyważyć pożytki z wyciszenia i trwałość nawierzchni - dziurawa albo spękana droga jest głośniejsza niż nowa.

Fragmenty POW w pobliżu osiedli, np. okolice węzła Patriotów i Wał Miedzeszyński powinny zostać pokryte nawierzchnią dźwiękochłonną na odcinku min. $1km$ od węzła, w każdym kierunku. Dotyczy to także wszystkich rozgałęzień na węzłach i łączników aż do rond i skrzyżowań kolizyjnych kończących drogę szybkiego ruchu, gdzie szybkości pojazdów spadają w okolice zera.

6.6 Szybkość

Istnieje silna zależność emitowanego hałasu drogowego od szybkości pojazdów. S2 posiada ograniczenie do $100\frac{km}{h}$ , jednak nie jest ono respektowane.

6.6.1 Rozwiązanie: $90\frac{km}{h}$ i odcinkowy pomiar prędkości

W rejonach zamieszkałych (węzły $\pm 1km$ ) należy wprowadzić ograniczenie do $90\frac{km}{h}$ wraz z odcinkowym pomiarem prędkości celem wymuszenia jego przestrzegania.