胡安華，韓繼公，李 陽

(中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶 400023)

1 概述

自1999年修建秦沈客運專線以來，我國高速鐵路的建設迎來了黃金10年，在京滬高速鐵路先導段國產和諧號380A動車創(chuàng)造了時速486.1 km的世界高速鐵路最高試驗運營新紀錄，輪軌高速技術取得了突破性進展。然而，在取得輝煌成績的同時，也引出了一些新課題，高速鐵路鳥擊防范問題便是其中之一。

鳥擊又稱鳥撞，是指鳥類與飛行中的人造飛行器、高速運行的列車、汽車等發(fā)生碰撞，造成傷害的事件。以前鳥擊多指鳥與飛行的飛機相撞，隨著高速鐵路的發(fā)展、列車運行速度的飛速提高，鳥與火車的碰撞也應被列為需要防范的事故之一。

飛機防鳥擊研究已有幾十年的歷史[1]，但高速鐵路鳥擊防范研究在國內外尚無先例，隨著世界高速鐵路快速發(fā)展，深入開展高速鐵路鳥擊防范研究具有極其重要的現實意義。

2 高速鐵路列車鳥擊危害及特點

列車鳥擊的危害可分為直接危害和間接危害兩種。雖然鳥擊至今尚未造成高速鐵路運營重大安全事故，但其造成的負面影響卻會很大，高速鐵路鳥擊所造成的間接損失遠遠超過直接經濟損失。

2.1 列車鳥擊的直接危害

列車鳥擊產生的直接危害主要表現為對牽引機車的損害，主要有:

(1)損傷機車表面。根據物理動力學定律，鳥擊的危害表現為由于飛鳥與列車高速相對運動，飛鳥與機車迎風面相撞，從而對機車風擋面造成物理損害;

(2)飛鳥尸體有可能使機車擋風玻璃污損、阻擋視線而發(fā)生不可預見的臨時停車清理，或導致列車降速運行，打亂列車正常運行圖;

(3)為避免鳥擊危害，列車經行飛鳥多的地段需限速行駛、導致列車延誤;

(4)機車破損增加修復作業(yè)，降低機車運用效率。

例如，武廣高速鐵路運營初期，頻頻發(fā)生鳥擊，鳥擊常導致列車停車檢查、限速行駛、列車晚點等不良后果。而臨時停車檢查不僅延誤旅行時間，更可能會在調度出現紕漏時釀成重大安全事故。鳥擊后的機車風擋表面見圖1。

圖1 鳥擊后的機車風擋表面

2.2 列車鳥擊的間接危害

鳥擊產生的間接危害主要有:

(1)引發(fā)社會對高速鐵路運營安全的擔憂，不利高速鐵路的發(fā)展;

(2)撞死大量飛鳥，不利生態(tài)和環(huán)保，從而有可能引發(fā)愛鳥人士的抵觸，不利高速鐵路的發(fā)展;

綜上，鳥擊的間接危害更應值得重視，因此高速鐵路鳥擊防范研究是必要的，也是緊迫的。

2.3 高速鐵路列車鳥擊的特點

2.3.1 列車穩(wěn)定性高于飛機

列車附著軌道并受約束行駛，飛機依靠發(fā)動機動力及相對風速提供的升力飛行，列車車頭流線形設計與飛機截然不同;且列車質量大、比飛機更牢固，故遭遇鳥擊時列車的穩(wěn)定性遠高于飛機。

2.3.2 鳥擊作用點不同

飛機鳥擊多發(fā)生在低于1 000 m的低空空域，鳥擊部位可能為飛機前端導航系統(tǒng)，機翼、尾舵、螺旋槳、發(fā)動機內部或其余部位表面[1，2];而高速鐵路鳥擊多發(fā)生于機車車頭迎風面下方3/4位置，鳥擊撞點較為集中，且在列車運行期間同一點附近可能會遭受多次高頻率撞擊，即相當于疲勞荷載作用(圖2)。對于飛機，因鳥擊部位多為關鍵零部件，鳥擊造成的傷害多數會危及其正常飛行甚至導致空難事故;但對于列車，鳥擊尚未造成重大安全事故。

圖2 遭遇鳥擊后的機車車頭

綜上，列車鳥擊直接損害較小，但間接危害面廣;同時，列車鳥擊的危害程度遠小于飛機，列車的安全性遠高于飛機。

日本新干線自運營以來，從未發(fā)生過列車顛覆和旅客傷亡事故，法國高速鐵路10多年來也始終保持安全運營的良好紀錄。但溫州“7.23”動車追尾事件表明，因任何原因導致的列車停車或事故均可能釀成重大安全事故，故列車鳥擊也應同樣被高度重視，必須防范，未雨綢繆，尋求有效解決方法。

3 鳥擊成因分析

根據相關鳥擊記錄和實地觀察，列車鳥擊多數是因鐵路線路附近人為活動少導致飛鳥聚集、列車高速運行飛鳥來不及躲避而造成的。概括起來，導致鳥擊的主要原因有:(1)高速鐵路經行區(qū)域;(2)高速鐵路工程類別;(3)高速鐵路沿線綠化、防護措施;(4)垃圾吸引飛鳥;(5)列車運行速度。

具體分析如下。

(1)高速鐵路線路長，若經行大型鳥類棲息、繁殖場所多，如大面積的樹林、水域，將大大增加鳥擊概率。

(2)除鳥類棲息繁殖區(qū)域外，鳥擊也多發(fā)生在高速鐵路路基地段。路塹段路基因局部空間小，如排水不暢，或低路堤段有積水坑、水塘等，將會吸引附近飛鳥覓食、休息，增加鳥擊事件。高速鐵路路塹段路基見圖3。

圖3 高速鐵路路塹段路基

(3)目前，高速鐵路路基地段邊坡常采用噴播植草，栽種喬木、灌木等方式護坡、綠化，大多的草皮及喬木會結草籽和果實，加之吸引的昆蟲，成為鳥類食物，吸引飛鳥聚集而造成鳥擊。

(4)高速鐵路列車運行速度高，飛鳥往往來不及逃避即被撞擊致死。

(5)在車站、樞紐附近或高速鐵路列車與普通列車、貨車并行地段，鐵路軌道常附有食物垃圾和直排穢物，這常常是吸引飛鳥，導致鳥擊的重要原因。

4 鳥擊碰撞計算

根據動量守恒定理，如列車與飛鳥視為一個系統(tǒng)，碰撞瞬間該系統(tǒng)動量守恒。列車與飛鳥質量相比，飛鳥質量可不計，則在鳥擊過程中，列車速度可視為不變，撞擊中飛鳥與列車最終相對速度變?yōu)?。對飛鳥進行動量分析，經計算可得列車遭受鳥擊時受到的沖擊力，從而對危害程度進行評估。

4.1 碰撞模型

鳥擊為完全非彈性碰撞。由于鳥擊過程時間極短(毫秒級)，為簡化鳥擊撞擊力的計算形式，假設鳥擊過程中飛鳥受碰撞先做減速運動(第一階段)，而后受列車推動做加速運動加速至車速(第二階段)，與列車一起運動直至飛鳥殘體被風刮走。據此可計算列車遭受鳥擊時受到的平均碰撞力。

大多數陸地遷徙鳥類的飛翔時速在30～100 km(最快的尖尾雨燕時速可達170 km，海洋上信天翁瞬時急速可達時速350 km)，假設鳥擊時飛鳥速度v為100 km/h;以中型鳥進行檢算，假設其質量m為1.0 kg、撞擊過程中飛鳥質心與列車碰撞面相對運動距離L為10 cm(大致為中型鳥一半身長);同時，假設列車時速350 km、鳥擊不影響其速度，按最不利情況(相向運動)撞擊考慮。

假設第一階段飛鳥與列車相對運動距離為βL(β為相對位移系數)。

4.2 碰撞力計算

鳥擊碰撞過程中，動量守恒，動能不守恒，故本文采用動量分析計算碰撞力較為準確。

(1)第一階段(飛鳥減速運動)

在第一階段，飛鳥做減速運動，飛鳥與列車相向運動。設碰撞力平均值為F、作用時間t、飛鳥平均加速度為a，設飛鳥在撞擊開始和減速運動結束時速度分別為v0(=100 km/h)、v'(=0)。鳥的翅膀、腿部、頭頸及羽毛能起到較好的緩沖作用，故第一階段相對運動距離較第二階段大，則令 β=0.6，則可建立以下方程組

求解得:t=5.4×10－4s

根據動量定理，飛鳥受外力的沖量等于其動量的改變量，據力的相互作用原理，機車在飛鳥減速運動過程中受到的碰撞力平均值F為

求解得:F≈51 440.3 N

如碰撞面積A按30 cm2考慮，則列車遭遇鳥擊時局部平均壓強

(約合169倍標準大氣壓)

(2)第二階段(飛鳥加速運動)

在第二階段，飛鳥做加速運動。同樣，設碰撞力平均值為F、作用時間t、飛鳥平均加速度為a，飛鳥在鳥擊開始和加速運動結束時速度分別為v0(=0)、v'(=V車=350 km/h)，β=0.6。則可建立以下方程組

求解得:t=8.228 57×10－4s

第二階段列車受到的碰撞力平均值F為

求解得:F≈118 152.0 N

因第一階段飛鳥已產生部分變形，第二階段碰撞面積按第一階段的1.2倍即36 cm2考慮，則列車遭遇鳥擊時局部平均壓強如下

由此可見，鳥擊撞擊力是極大的，鋼化玻璃抗壓強度在125 MPa以上，理論上講，鳥擊不能造成其結構損壞，但鳥擊的反復作用可能造成機車鋁合金表面、風擋玻璃表面損傷和儀器損壞;同時，列車在鳥擊導致的疲勞荷載作用下可能產生局部拉應力從而破壞風擋玻璃(抗拉強度30～60 MPa)。

上述β取值為估算取值，僅能對撞擊力粗略估算、對風擋玻璃損傷程度做簡單分析。列車鳥擊應參照飛機鳥撞研究方法，建立荷載模型[3]、動響應分析方法、鳥體模型及風擋玻璃破壞準則等[4～6]，建議有關部門應積極介入，系統(tǒng)地深入研究。

4.3 撞擊力計算公式推導

由式(1)、(2)及式(4)、(5)，列車遭受鳥擊時受到的平均撞擊力簡化計算公式為

式中F——鳥擊時機車受到的平均沖擊力，N;

V車——鳥擊時列車運行速度，m/s;

v0——鳥擊時飛鳥初始速度在列車運行方向上的分量，m/s;

m——鳥擊發(fā)生時飛鳥的質量，kg;

L——鳥擊過程中，飛鳥與列車相對運動距離

在列車運行方向的分量，m;

β——鳥擊系數(與碰撞形式及變形相關的系數)，0＜β＜1。

分析式(7)，鳥擊時列車受到的撞擊力有以下規(guī)律:列車受到的沖擊力與飛鳥質量成正比，與撞擊過程中相對運行距離成反比。在第一階段，沖擊力與飛鳥初始速度呈二次函數關系、與列車運行速度線性相關;在第二階段，相當于列車與變形后靜止的飛鳥相撞，沖擊力與列車速度的二次方成正比。

飛鳥質量一般較小，因而鳥擊的破壞主要取決于列車和飛鳥的速度而非鳥類本身的質量，速度的提高將導致撞擊力呈幾何級數地增加。

經分析，當車速為0時，撞擊力主要是由飛鳥動能瞬間損失導致;當車速大于0，但車速仍較小時，鳥擊時第一階段列車受到的撞擊力較第二階段受力大;當車速較大時，即v0時，第二階段撞擊力將大于第一階段撞擊力。

上述計算過程中β取值將作進一步研究，以便式(7)在實際工程中的應用推廣。鳥擊屬完全非彈性碰撞，各階段的平均碰撞力及相對運行距離不僅取決于飛鳥本身(大小、質量、類型等)，同時也取決于鳥擊時撞擊面法線與列車、飛鳥速度方向的關系。

5 鳥擊的防范方法

我國一直高度重視鐵路特別是高速鐵路的運營安全。到2012年，我國高速鐵路將初步成網，確保高速鐵路安全成為全國鐵路工作首要任務。

我國大陸高速鐵路運行速度較日本及中國臺灣高、線路覆蓋范圍更廣，鳥擊概率和危害更大。隨著環(huán)保力度的加強，鐵路建設加強了綠化、減少對植被的破壞，鐵路沿線鳥類增多，防范鳥擊又不能傷害鳥類，防范鳥擊成為一個世界性難題。

日本和中國臺灣的高速鐵路一直受鳥擊的困擾，雖未造成重大運營安全事故，但引發(fā)了社會和環(huán)保人士的高度關注，除持續(xù)進行監(jiān)測外，目前還暫無其他有效解決方法。在日本，高速鐵路鳥擊被認定為自然現象，沒有被特別防范;在中國臺灣，對有大群候鳥活動地段設置穿越通道，但目前并無根本的防范方法。

5.1 機場鳥擊防范方法

機場防范鳥擊主要是通過驅鳥和破壞周邊鳥類生存環(huán)境來減少鳥擊。主要有聽覺威懾法、視覺威懾法、化學試劑和捕捉等，如制作風車、旗幟、猛禽模型、稻草人，或使用空氣炮，超聲波等方法防范鳥擊[1，2，7，8]。

但是，除超聲波外，鳥類往往會在經歷一段時間后，便適應了環(huán)境，對上述方法變得熟視無睹，故都不能徹底解決問題。而超聲波驅鳥器主要是通過惡化鳥類生存環(huán)境起到長久驅鳥作用，見效慢，且對鳥類危害大，對于高速鐵路有立即實時驅鳥的場合，并非十分適用。本文根據鳥擊的成因及規(guī)律，提出列車鳥擊防范方法如下。

5.2 高速鐵路鳥擊防范方法

目前，國內外尚無高速鐵路鳥擊防范研究成果資料，高速鐵路線路長，覆蓋范圍廣，沿線生態(tài)環(huán)境復雜，飛鳥種類多、數量多，鳥擊防范不能完全借鑒機場的方法。結合生態(tài)和環(huán)保，本文從減少吸引飛鳥的因素和探索驅鳥方法出發(fā)，探討性地提出以下防范鳥擊的方法。

5.2.1 工程繞避法

在高速鐵路項目立項可研之初，需要對所經區(qū)域的生態(tài)環(huán)境作出評估，線路應盡量避免穿行大型鳥類棲息地和遷徙補給地，從源頭上減少鳥擊的概率。

5.2.2 環(huán)境饑餓法

即利用不利于鳥類生息的環(huán)境因素。

(1)減少高速鐵路沿線不必要的水池、水塘等;同時，完善鐵路沿線的排水工程設施，保持排水通暢，避免積水，減少對飛鳥的吸引。

(2)破壞鐵路沿線昆蟲、蚯蚓等鳥類喜歡捕食生物的生存環(huán)境，不僅能減少蟲害對鐵路運輸安全的影響，且能有效減少鳥類活動和覓食的幾率從而減少鳥擊;同時，鐵路邊坡防護植草應采用不結草籽的草皮，采用不結果實的喬木、灌木等，減少對飛鳥的吸引。

(3)清除沿線垃圾，保持鐵路軌道清潔，減少對飛鳥的吸引。

5.2.3 物理驅趕法

(1)外觀設計防范鳥擊

鳥類具有敏銳的視力(高出人類6倍)和畏懼天敵的天性。可在機車正面、機車車頂、側面繪制猛禽圖案，驅離鳥群，這是最經濟、最環(huán)保和最具操作性的物理措施。

類似的思路如澳大利亞一家航空公司曾在飛機前方畫上一個大嘴，兩側畫上兩只大眼，讓飛機也變成一只大鳥嚇跑飛鳥，從而有效減少了鳥擊。高速鐵路列車也可參照飛機的作法，進行試驗和實踐。

(2)車載驅鳥系統(tǒng)

將驅鳥電子炮結合雷達、電腦自動控制系統(tǒng)，裝置于列車車頭，在雷達檢測到有飛鳥路段，即自動激發(fā)電子炮，驅趕飛鳥。大型驅鳥電子炮有效作用半徑50 m或更大，飛鳥神經長度比人短，無論是電子炮爆炸聲或是閃光，飛鳥都有足夠時間反應并逃離現場，避免鳥擊，即使經過反復長時間也不會適應。

驅鳥電子炮利用電子激發(fā)空氣爆炸，高功率爆炸聲響的頻率設計在鳥類的最敏感頻段，閃光也會刺激鳥的眼睛，使鳥迅速逃離現場，達到驅鳥效果，但該方法存在擾民缺點。

5.2.4 其他綜合防治法

(1)高速鐵路正式運營前，應進行“行車鳥擊觀察作業(yè)”;同時，制定列車出現鳥擊現象后的對應措施，減少事故停車頻率。

根據中國臺灣高速鐵路運營記錄:通車前，平均每天每列車有5次鳥擊;通車初期每天38對，每天每列車鳥擊次數增到10次;但列車數量增到每天62對后，每天每列車鳥擊次數降為5次;增至每天91對后，再降到每天每列車1.5次。

以上經驗表明，物種會通過自己的經歷而學習，從而自行調整，鳥類也不例外。在高速鐵路正式運營前，可參照以上運營記錄并結合季候做“行車鳥擊觀察作業(yè)”，讓鳥類自行調整飛行、活動習慣，正式運營后，可有效減少鳥擊。

同時，為保證運營秩序，應根據“行車鳥擊觀察作業(yè)”記錄的鳥擊頻率規(guī)律，制定鳥擊事故等級判別及對應措施，并納入日常運營程序。

(2)參照機場的經驗，加強高速鐵路沿線飛鳥種類、飛鳥生活規(guī)律監(jiān)測，開展沿線生態(tài)調查。結合鳥類學、生態(tài)學、氣象學、鐵路行車及鳥擊規(guī)律，建立一個綜合性跨學科預警防范系統(tǒng)[1，8～10]。

(3)加強高速鐵路沿線安全巡視和檢查。

6 結語

隨著我國高速鐵路運營里程的不斷增長，列車鳥擊的危害隨著列車速度的提高而急劇增加，對列車鳥擊進行深入研究和防范是必需的也是緊迫的。從現狀看，我國尚未系統(tǒng)開展此類研究，本文提出的觀點需在實踐中進一步驗證，對于已開通運營或待建、在建的高速鐵路，建議相關部門應積極介入、綜合防治，制定防范鳥擊相關規(guī)定并及時采取有效措施，消除高速鐵路列車鳥擊安全隱患，為我國高速鐵路的進一步發(fā)展創(chuàng)造必要條件。

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