高速铁路飞砟防治探讨
井国庆1，杜文博1，付琪璋2
(1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2. 中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)
摘 要：飞砟现象严重制约高速铁路有砟道床的应用与发展，需要采取综合措施进行防治。从道床断面形式、轨道结构、施工质量和养护维修等方面介绍飞砟防治措施；以飞砟单体颗粒力学模型为切入点，结合道砟单体力学特性和材质特征，分析道砟密度、针片状指数、粒径和级配对飞砟的影响，拓展我国高速铁路飞砟防治综合方法与措施。研究结果表明：通过优化轨道结构、重视养护维修等措施可降低飞砟；通过优化粒径分布，降低针片状含量和提高道砟密度可减少飞砟几率；道砟标准与飞砟防治密切相关，宜对特级道砟标准进一步明确密度、针片状含量、对粒径和级配进行优化。本研究可作为有砟道床飞砟防治和安全运营参考，初步构建我国高速铁路防飞砟技术体系。
关键词：高速铁路；有砟道床；飞砟
有砟道床是传统的道床形式之一，完全可用于高速铁路甚至速度超过350 km/h的超高速铁路[1]。欧洲高速铁路主要采用有砟结构，其中法国最高运营速度为320 km/h，最高测试速度574.8 km/h，并进行了360 km/h相关测试；德国通过有砟道床实现最高速度超过310 km/h；俄罗斯莫喀高铁设计时速400 km/h；英国HS2运营速度360 km/h。同时，有砟轨道结构以其突出的优点日益受到世界各国的重视与广泛应用，包括非洲第一条高铁—摩洛哥高铁、土耳其高铁等。随着高速铁路不断向高速化、重型化发展，运营安全成为研究要点，影响高速铁路有砟轨道安全性的3个突出问题为道床劣化、流化及飞砟[1]。针对道床劣化和流化，近年来国内外取得若干成果，如，采用新型轨枕垫板，增加轨枕和道砟接触面积；采用沥青底砟结构、土工格栅等[1−2]。在上述2个问题得到减缓的同时，飞砟问题的重要性和紧迫性日趋严重[3−6]。如，意大利ETR500在从罗马至那不勒斯，以300 km/h试运行期间发生飞砟现象。飞砟现象表现为道砟在道床振动和列车风共同作用下离开道床表面，击打车体、遗留在钢轨表面，从而在列车运行时引起钢轨和车体损伤，并对行车安全产生影响，主要影响因素为：车速，道床断面，道砟粒径、级配、密度，轨枕的形状和布置等[4]。需要指出的是，在严寒地区，速度较低的列车也会因为冰雪的原因出现飞砟[5]。目前主要采用风洞试验和流体力学模拟进行研究，但飞砟发生的机理尚不清楚，防治措施不足以应对列车提速和复杂运营环境，仍需进行研究[4]。飞砟现象分布范围广、危害大，随着列车速度的不断提高，将会更加严重[1, 5]；飞砟现象制约有砟轨道的发展，给运营管理部门带来困难。针对飞砟防治，应以轨道结构设计为主，其他措施为辅，从道砟材质、道床断面形式、施工质量和养护维修方面进行综合考虑。本文针对飞砟问题先从轨道结构、养护、监测等方面提出相应措施，之后根据单个道砟受力特征和道砟材质，进行飞砟防治措施探讨。
1 飞砟防治措施
1.1 轨道结构方面
轨枕结构优化。如图1所示，西班牙铁路管理局(ADIF)，根据轨枕部位容易引起风压分布不均匀以及涡流现象，通过优化轨枕形状，开发空气动力学优化轨枕。该轨枕顶部与侧面缓和过渡，没有棱角，轨枕中部圆润凸起流线化，道砟不易散落在轨枕上，可降低50%的飞砟概率[7]。道床振动加速度也是影响飞砟的重要因素，随着列车速度的增加，振动加速度增大，道砟越容易飞溅，危害性越大[7]。如图2所示为枕下垫结构，即在轨枕底部设置一弹性垫板，由法国在1989年率先获得专利。采用该轨枕后，从整个轨道结构看，上部荷载传递给轨枕的能量增加，轨枕振动加速度增大，而使道床的振动加速度减小，从而减少飞砟[2]。
图1 空气动力学轨枕
Fig. 1 Aerodynamic sleeper
图2 枕下垫结构
Fig. 2 Under sleeper pad
优化有砟道床断面。研究表明，道床表面至轨道顶面距离越远，道床表面风压分布越小；同时，砟肩堆高对风压分布也存在影响[3]。因此，在满足道床所需纵、横向阻力条件下，可采取降低道床顶面高度和砟肩堆高的方法防治飞砟，图3所示为道床顶面与轨枕表面高差示意图。日本、意大利、法国通过降低轨枕盒内道砟高度降低飞砟；我国《高建铁路有砟轨道线路维修规则》中规定，当车速为250～300 km/h时，砟肩堆高由150 mm减少至100 mm，并降低轨底处道床顶面高度[4, 8]。此外，法国还采用平肩式砟肩结构(或5 cm堆高)降低飞砟风险[9]。
本研究依托中药系统药理学分析平台（TCMSP，http://ibts.hkbu.edu.hk/LSP/tcmsp.php）检索黄连解毒汤全方中4味中药黄连、黄芩、黄柏、栀子所有化学成分，共搜集了168个化合物，其中黄连33个、黄芩58个、黄柏58个、栀子19个。
图3 道床顶面与轨枕表面高差
Fig. 3 Diagram of difference between ballast bed surface and sleeper
使用聚氨酯道砟胶。井国庆等[10]为防治飞砟将道砟胶喷涂在道床表面下部60 mm范围内，由于喷涂深度不深不影响捣固，在风速30 m/s(相当于350 km/h列车产生的风速)下，道砟不产生位移，同时横向阻力增加17%。铁科院在济青高铁进行道砟胶试验，最高速度达385 km/h，未见飞砟现象，同时，我国的鲁南高铁有砟段为350 km/h，也采用聚氨酯固化技术。
1.2 养护维修方面
基于养护维修的飞砟防治。运营中的线路往往在轨枕及扣件上存在遗留的道砟颗粒，这些道砟在风荷载及道床振动下极易产生飞砟，应及时进行清扫[1, 11]。有砟道床压实度是道床质量一个重要指标，在建造和养护维修过程中应重视稳定作业，增强道砟颗粒咬合力，如法国有砟道床采取2捣3稳的作业方式，可提高道床密实性，甚至有如图4所示压实作业车能提供道床的夯实作业[12]。
加强巡视与检测。国际铁路联盟高速铁路养护维修手册建议由轨道工程师每2周进行一次有砟道床断面检查，保证道床断面的平顺，防止飞砟现象发生[1]。国外在有砟道床断面数字化检测方面也研发了相应设备，图5所示为有砟道床表面扫描系 统[13]，防止道床断面出现不规则现象，如：道砟聚集成堆、部分地段道砟缺失等。
(a) 轨枕盒压实；(b) 砟肩压实
图4 道床压实装置
Fig. 4 Ballast compactor
图5 有砟道床扫描系统
Fig. 5 Ballast bed scanning system
1.3 道砟颗粒方面
除上述措施外，碎石道砟材质也是影响飞砟的重要因素之一，从碎石道砟材质选型入手在工程上更容易实现，具有较好可靠性和经济性。本文从道砟单体力学特性和材质方面入手，考虑道砟密度，针片状指数、粒径和级配等对飞砟的影响。
如图6所示为单个道砟的受力示意图，位于道床上的道砟在竖直方向上主要受重力mg(m为道砟质量，g为重力加速度)，颗粒间咬合力Fi，荷载Fw(吸力)以及列车通过时因振动加速度导致的力Fa。井国庆等[7, 14]基于力学原理研究了图6所示单体道砟的受力机理，根据研究结果，道砟密度越大越有利于防治飞砟，与ADIF研究结果相同。因此，建议采用高密度岩石母岩生产道砟，限制低密度道砟应用(如凝灰岩密度只有2.0～2.5 g/cm3)，尤其在道床表面。
爱丁堡大学是一座建立于1583年的古老学府，至今已有400多年的历史了。从学校的名字就可以看出，它坐落在英国的文化古城——苏格兰首府爱丁堡。在欧洲的启蒙运动时期，爱丁堡大学起着十分重要的作用，是当时的学术中心之一。在18世纪，爱丁堡大学曾经超越牛津大学和剑桥大学，成为引领欧洲学术发展的第一学府。这里名人辈出，走出了众多诺贝尔奖得主，培养了一批政治领袖，知名校友包括自然科学家达尔文、数学家贝叶斯、哲学家大卫·休谟、作家阿瑟·柯南·道尔等。
古往今来，没有一成不变的艺术。一些艺术之所以能够穿越悠悠的历史长河，绵延不息，就在于这些艺术能够主动适应时代变化。一言以蔽之，与时俱进，艺术常青。
图6 道砟受力分析
Fig. 6 Ballast force analysis
图7 针片状道砟
Fig. 7 Flat and elongated ballast particles
研究证明，道砟颗粒形状对道床稳定性和维修周期具有重要影响[15]，道砟颗粒越接近于立方体、破碎面越多，越有利于提高道床稳定性和延长道床寿命。各国限定道砟颗粒形状，尤其是不良道砟颗粒含量。如图7所示为针片状道砟，我国特级道砟标准规定道砟的针状指数不大于20%，片状指数不大于20%[16]，而欧盟高速铁路所用道砟针状系数不超过15，片状系数不超过10[17]。同一国家随着技术进步和铁路等级提高，指数限值也在变化，如早期规范TB/T2140—1990规定为50%。道砟颗粒形状对飞砟有重要影响，需要根据飞砟防治来控制道砟针片状指数。如图8所示为Kwon等[15, 18]对单体道砟力学性能的风动试验研究，根据相关风洞试 验，针片状，尤其是片状道砟更易飞砟，且针状道砟在列车荷载作用下更容易破碎成为小粒径道砟，也易飞砟。可根据我国合福高铁巢湖段飞砟防治措施，将道床表面直径小于3 cm的道砟或厚度不足1 cm，小于4 cm片状道砟捡拾、清除[19]。
图8 有砟道床风洞试验
Fig. 8 Wind tunnel test with ballast bed
优化道砟粒径与级配也可控制飞砟。根据相关风洞试验[15, 18]，小粒径道砟更易飞砟。以俄罗斯规范为例，俄罗斯B类道砟最大粒径80 mm，我国则为63 mm；俄罗斯B类道砟在22.4～31.5 mm粒径范围内颗粒低于我国，而在40～63 mm粒径范围内颗粒含量大于我国，由此可以看出俄罗斯粒径范围更宽，平均粒径、最大粒径更大，在高速铁路运营中不容易飞砟[20]。需要注意的是，大粒径道砟不容易压实和捣固，尤其是捣固镐难于插入，击打道砟颗粒。根据上述综合考虑，可将道砟粒径范围设为3～7 cm，并适当提高中间部分粒径范围和含量。
2 结论与建议
1) 可通过道床断面优化、轨枕结构优化、使用聚氨酯道砟胶降低飞砟几率。
2) 可通过清扫散落轨枕上表面道砟、加强道床密实度等方法降低飞砟几率。
3) 提高道砟密度、严控针片状道砟含量、优化粒径和级配，有利于降低飞砟几率。
4) 道砟标准与飞砟防治密切相关，应对特级道砟标准进一步明确道砟密度、针片状含量并对粒径和级配进行优化。
以科特迪瓦为例，见图4，可在该图上按照50年超越概率为10%的动峰值加速度明确查明该国地震区划主要分为三个区，分别为西部的0.02 g～0.04 g区，中部的0 g～0.02 g区以及东部的0.04 g～0.08 g区[9]，由基本烈度的动峰值加速度，便可将该区划与中国标准相联系，可知科特迪瓦的抗震设防烈度对应于中国标准最高不高于6度强。
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Ballast flight prevention measures of high-speed railway
JING Guoqing1, DU Wenbo1, FU Qizhang2
(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;2. China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)
Abstract: Ballast flight sets back the high-speed ballasted track application and development, and comprehensive measures should be taken in practice. The paper emphasized that the ballast flight prevention should be systematically investigated including ballast profile, track structure, construction quality and maintenance etc. Furthermore, taking ballast flight individual particle force model as the starting point, based on ballast individual particle force properties and material characteristics, the effect of ballast density, ballast size and particle size grading, ballast flat and elongated index on ballast flight are analyzed. Based on results, measures such as optimizing track structure and paying attention to maintenance can reduce ballast flight. By optimizing particle size distribution, reducing flat and elongated particles and increasing ballast density, ballast flight risk can be reduced. The results indicate that railway ballast standards directly influence ballast flight prevention, and ballast size, particle size grading, density, flat and elongated particles should be further specified during super ballast standards. This study can be used as a reference for the ballast flight prevention and safe operation of ballast bed, and the preliminary construction of Chinese high-speed railway ballast flight prevention system.
Key words: high speed railway; ballast bed; ballast flight
中图分类号：U213.7+22
文献标志码：A
文章编号：1672 − 7029(2020)10 − 2445 − 05
DOI: 10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200099
收稿日期：2020−02−13
基金项目：中国铁道科学研究院基金资助项目(2018YJ043)
通信作者：井国庆(1979−)，男，河北廊坊人，副教授，博士，从事轨道结构及轨道力学研究；E−mail：gqjing@bjtu.edu.cn
(编辑 阳丽霞)