丁東，李杰，王辰永，井國(guó)慶

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道工程系，內(nèi)蒙古 包頭 014060；3.中國(guó)鐵路北京局 石家莊電力機(jī)務(wù)段，河北 石家莊 050000；4.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

有砟軌道作為一種重要的軌道結(jié)構(gòu)，在世界各國(guó)高速鐵路建設(shè)中得到了充分應(yīng)用，法國(guó)、西班牙和意大利等國(guó)全部采用有砟軌道的型式，其中法國(guó)高速鐵路(TGV)東部線(xiàn)、巴黎—里昂線(xiàn)、地中海線(xiàn)運(yùn)營(yíng)速度超過(guò)320 km/h，東部線(xiàn)試驗(yàn)速度574.8 km/h[1?2]。目前我國(guó)高速鐵路建設(shè)處于世界領(lǐng)先水平，既有線(xiàn)改造和新建時(shí)速250 km/h的鐵路主要采用了有砟軌道型式，如膠濟(jì)、福廈、石太、銀西等線(xiàn)路；300 km/h及以上的高速鐵路也在部分地段采用有砟軌道，如在長(zhǎng)大橋梁、過(guò)渡段、地下有采空區(qū)以及舊河湖等特殊地段。值得一提的是，2020年底開(kāi)通的設(shè)計(jì)速度250 km/h的銀西高鐵是我國(guó)第一條以高速有砟軌道為主并預(yù)留進(jìn)一步提速條件的長(zhǎng)大干線(xiàn)高速鐵路，建立了時(shí)速300 km/h速度級(jí)的新型軌道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段。而飛砟問(wèn)題是影響有砟軌道運(yùn)營(yíng)安全，限制列車(chē)速度提高的主要原因。飛砟問(wèn)題是飛濺的道砟顆粒擊打車(chē)身或鋼軌軌頭，從而引起瞬時(shí)或進(jìn)一步損壞的現(xiàn)象[3]。飛砟一般可分為在負(fù)壓作用下飛起、在空氣湍流中飛行、與列車(chē)底部結(jié)構(gòu)碰撞或與道床碰撞引起連鎖反應(yīng)等階段，其復(fù)雜的演化過(guò)程和潛在的復(fù)雜性大大增加了研究難度[4]。從21世紀(jì)初到現(xiàn)在，世界各地的一些制造商、運(yùn)營(yíng)商和研究人員使用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試以及車(chē)載/軌旁測(cè)量等方法對(duì)飛砟現(xiàn)象進(jìn)行研究[5?7]，主要目的是研究列車(chē)底部的空氣動(dòng)力學(xué)特性，模擬道砟的運(yùn)動(dòng)，并評(píng)估飛砟風(fēng)險(xiǎn)。本文旨在追溯飛砟問(wèn)題研究歷程，系統(tǒng)闡述飛砟問(wèn)題主要影響因素和國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，簡(jiǎn)要介紹飛砟風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)指南，為高速鐵路有砟軌道問(wèn)題的研究和防治提供借鑒。

1 影響因素

高速鐵路有砟軌道飛砟現(xiàn)象可分為道砟遷移和道砟飛濺2個(gè)過(guò)程[4]，首先列車(chē)在運(yùn)行條件、軌道條件、軌道振動(dòng)和列車(chē)風(fēng)載綜合作用下，道砟脫離原位置，滾落在道床表面或軌枕表面，導(dǎo)致道砟顆粒之間咬合力大大降低，然后，在列車(chē)高速風(fēng)載和振動(dòng)作用下，極易發(fā)生道砟顆粒飛起擊打列車(chē)底部和周邊設(shè)施的現(xiàn)象。其中，容易激發(fā)飛砟問(wèn)題的運(yùn)行條件有冰雪、隧道、路橋過(guò)渡段等，影響飛砟現(xiàn)象的軌道條件包括：道砟粒徑與級(jí)配、道床型式和軌枕結(jié)構(gòu)等，而列車(chē)風(fēng)載和軌道振動(dòng)都與列車(chē)運(yùn)行速度、列車(chē)結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。本節(jié)基于現(xiàn)有的研究進(jìn)展和方法對(duì)飛砟問(wèn)題的幾個(gè)重要影響因素從定量和定性方面進(jìn)行闡述[4](見(jiàn)圖1)。

圖1 飛砟影響因素Fig.1 Ballast influence factors

1.1 運(yùn)行速度

一般認(rèn)為列車(chē)時(shí)速超過(guò)300 km/h后容易發(fā)生飛砟現(xiàn)象[8?9]，當(dāng)列車(chē)速度達(dá)到250 km/h左右時(shí)道砟在列車(chē)運(yùn)行引起的振動(dòng)和列車(chē)風(fēng)的共同作用下，可能會(huì)發(fā)生小距離的移動(dòng)，極個(gè)別情況會(huì)發(fā)生道砟飛濺。京滬高速鐵路濟(jì)南黃河特大橋和石武客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鄭州黃河特大橋的聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)動(dòng)車(chē)組列車(chē)速度達(dá)到330～350 km/h時(shí)，曾發(fā)生過(guò)飛砟[1]。LAZARO等[10]進(jìn)行了全尺寸試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)列車(chē)速度超過(guò)260 km/h時(shí)，道砟顆粒從其靜止位置發(fā)生振動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生移動(dòng)的可能性急劇增加。韓國(guó)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)[11]，列車(chē)運(yùn)行速度與軌道風(fēng)速呈正相關(guān)，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度為300 km/和350 km/h時(shí)，軌道上方風(fēng)速分別約為25 m/s和30 m/s，同時(shí)，軌道中心風(fēng)速最大，向兩側(cè)逐漸遞減。郄錄朝等[12]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和CFD仿真發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行速度越高軌道表面風(fēng)壓越大，車(chē)頭和車(chē)尾通過(guò)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的壓力梯度，其中，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度達(dá)350 km/h時(shí)，道床表面最大負(fù)壓可達(dá)1 000 Pa左右。JING等[13]利用風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試了單體道砟顆粒的風(fēng)動(dòng)特性，研究表明立體狀道砟臨動(dòng)速度與質(zhì)量呈正相關(guān)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配道砟臨動(dòng)速度范圍在15～30 m/s之間，但試驗(yàn)未考慮道砟間咬合力的影響。

當(dāng)列車(chē)運(yùn)行至特殊路段，如路橋過(guò)渡段、橋梁、隧道；或遭遇極端天氣，如大風(fēng)天氣、冰雪天氣等，在時(shí)速250 km/h甚至更低情況下也會(huì)發(fā)生飛砟現(xiàn)象。美國(guó)聯(lián)邦鐵路管理局(FRA)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，速度低于160 km/h時(shí)，相鄰列車(chē)通過(guò)時(shí)會(huì)誘發(fā)飛砟[4]。但需要指出的是，列車(chē)高速運(yùn)行并不一定會(huì)引起飛砟問(wèn)題，通過(guò)采取一定措施是完全可以避免的。比如，法國(guó)在2007 年TGV V-150 成功實(shí)現(xiàn)世界速度記錄(574.8 km/h)的測(cè)試運(yùn)行期間，沒(méi)有觀察到或記錄到道砟飛濺。

1.2 列車(chē)結(jié)構(gòu)

根據(jù)AOA項(xiàng)目 (Aerodynamics in Open Air)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)[14]，在法國(guó)高速鐵路上，德國(guó)ICE3型列車(chē)產(chǎn)生了道砟飛濺現(xiàn)象，而法國(guó)列車(chē)沒(méi)有發(fā)生飛砟。這主要是因?yàn)榉▏?guó)列車(chē)車(chē)體之間密封更為嚴(yán)密，空氣渦流動(dòng)力較小，而高速列車(chē)底部周?chē)咄牧鞫瓤諝鉁u流是形成飛砟問(wèn)題的直接原因，道砟顆粒受高速運(yùn)行列車(chē)振動(dòng)的影響，易于在空氣渦流作用下產(chǎn)生遷移和飛濺現(xiàn)象。傳統(tǒng)的普速客運(yùn)列車(chē)在底部安裝了空調(diào)和水箱，而忽略了空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。隨著高速列車(chē)的出現(xiàn)，列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)特性變得越來(lái)越重要。因此，列車(chē)底部結(jié)構(gòu)必須保證平滑無(wú)大凸起，以盡量減少湍流的影響。同時(shí)，列車(chē)頭部鼻錐下方應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流板，轉(zhuǎn)向架和其他部位應(yīng)裝配全封閉底罩，以?xún)?yōu)化列車(chē)底部環(huán)境，降低飛砟概率[9]。另外，西班牙和意大利研究表明，列車(chē)長(zhǎng)度對(duì)道砟顆粒的初始位移也起著主要作用[15]。

1.3 道床結(jié)構(gòu)

道床結(jié)構(gòu)是影響飛砟的重要因素之一，因此可以作為解決問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)與工程實(shí)踐證明砟肩堆高對(duì)道床空氣動(dòng)力學(xué)特性造成不利影響，會(huì)引起道砟顆粒遷移，進(jìn)而誘發(fā)飛砟問(wèn)題。對(duì)于高速鐵路來(lái)說(shuō)，砟肩堆高越高，則越靠近列車(chē)底部，更易受到列車(chē)風(fēng)影響，在一定程度上會(huì)增加飛砟概率；但是若降低砟肩堆高則會(huì)降低道床橫向阻力，因此需要協(xié)同研究?jī)烧哧P(guān)系。法國(guó)和意大利研究表明道床頂面位置是影響飛砟的一個(gè)重要因素，采用了降低道床頂面位置2～3 cm的緩解措施[16]。

近年來(lái)軌枕設(shè)計(jì)也成為降低橫向阻力、延緩道床劣化和防治飛砟的主要方法。西班牙采用的空氣動(dòng)力學(xué)軌枕[17]具有頂部表面與側(cè)面過(guò)渡平緩、圓順且無(wú)棱角的結(jié)構(gòu)特征，軌枕頂面不易停留道砟顆粒，同時(shí)，從空氣動(dòng)力學(xué)角度有效降低了軌枕槽的臺(tái)階空腔繞流效應(yīng)，從而預(yù)防了飛砟問(wèn)題。聚氨酯固化道床也逐漸成為一種防治飛砟的新型高速軌道工程技術(shù)[3]，基于飛砟發(fā)生的區(qū)域和養(yǎng)護(hù)維修的考慮，現(xiàn)主要有2種方案：局部固化和表層固化。局部固化方案是在道床中心、砟肩等飛砟發(fā)生概率大的區(qū)域，按照一定的深度進(jìn)行噴涂。表層固化方案，指的是采用黏結(jié)強(qiáng)度低的聚氨酯噴涂半個(gè)道砟粒徑左右，達(dá)到噴涂后既防飛砟又不影響搗固作業(yè)的效果。

1.4 道砟粒徑與形狀

高速鐵路需要使用最優(yōu)質(zhì)的道砟材料。世界上大多數(shù)高鐵運(yùn)營(yíng)商都要求使用的道砟滿(mǎn)足嚴(yán)格的等級(jí)規(guī)范。JING等[18]基于道砟顆粒受力建立的飛砟機(jī)理模型明晰指出低密度、扁平道砟、小質(zhì)量顆粒更容易飛砟。KWON等[19]研究了高速鐵路飛砟概率與道砟形狀、質(zhì)量間的相互關(guān)系，結(jié)果表明質(zhì)量與表面積之比越大，發(fā)生飛砟的概率越高。

我國(guó)現(xiàn)行鐵路道砟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定道砟的針狀指數(shù)不大于20%，片狀指數(shù)不大于20%，需要特別指出的是，我國(guó)現(xiàn)行道砟材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中針片狀指數(shù)總值40%，也是合格的[1]。這一指標(biāo)超過(guò)了基本上所有其他國(guó)家針片狀指標(biāo)，在材質(zhì)和資源一定情況下，可以考慮提高標(biāo)準(zhǔn)，延長(zhǎng)道床維修周期和防治飛砟。

1.5 軌道振動(dòng)

由列車(chē)運(yùn)行通過(guò)引起的地面運(yùn)動(dòng)效應(yīng)或道床振動(dòng)本身不會(huì)引發(fā)道砟顆粒的運(yùn)動(dòng)。然而，當(dāng)與空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)相結(jié)合時(shí)，它可能是飛砟的一個(gè)促成因素。KRYLOV[20]提出了列車(chē)“臨界速度”的概念，即列車(chē)的運(yùn)行速度與瑞利波(一種沿固體表面?zhèn)鞑サ谋砻媛暡?的速度相匹配時(shí)的速度。KRYLOV分析了不同速度的列車(chē)在不同類(lèi)型的土壤上行駛的影響。例如，柔軟的沙質(zhì)土壤的瑞利波速度在90～130 m/s之間，對(duì)于以300 km/h(83 m/s)的速度行駛的列車(chē)，會(huì)發(fā)生顯著的地面振動(dòng)，地面響應(yīng)會(huì)與來(lái)自列車(chē)的輸入振動(dòng)產(chǎn)生共振。據(jù)觀察，當(dāng)列車(chē)速度不斷提高時(shí)，路基與軌道的位移幅度也會(huì)隨之增加，當(dāng)列車(chē)達(dá)到或超過(guò)臨界速度時(shí)，列車(chē)通過(guò)產(chǎn)生的輸入波與瑞利波發(fā)生共振，容易引發(fā)有砟道床流化現(xiàn)象，極大增加飛砟概率。LUO等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在某些載荷條件下，軌道表面的道砟顆粒將變得失重，這意味著施加在道砟顆粒上的反作用力將非常大，足以克服重力。因此，道床振動(dòng)加速度與飛砟概率呈正相關(guān)，通過(guò)降低振動(dòng)加速度可以有效緩解或避免飛砟現(xiàn)象的發(fā)生。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 研究項(xiàng)目

2005年，德國(guó)聯(lián)邦鐵路公司(DB)和法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路公司(SNCF)啟動(dòng)了一個(gè)關(guān)于列車(chē)明線(xiàn)空氣動(dòng)力學(xué)的研究項(xiàng)目，名為AOA項(xiàng)目(Aerodynamics in Open Air)[8,14]。AOA聯(lián)盟機(jī)構(gòu)包括列車(chē)制造商、意大利基礎(chǔ)設(shè)施管理公司、線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)商和英國(guó)鐵路安全標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)等。AOA項(xiàng)目的目標(biāo)是進(jìn)一步研究飛砟問(wèn)題，并解決鐵路側(cè)風(fēng)安全問(wèn)題，該項(xiàng)目一直持續(xù)到2008年10月，在此期間，研究了飛砟發(fā)生機(jī)理與動(dòng)態(tài)過(guò)程，包括負(fù)壓導(dǎo)致道砟顆粒移動(dòng)飛起，以及道砟與列車(chē)和有砟道床的動(dòng)態(tài)撞擊過(guò)程。

2009年6 月，在歐盟處理鐵路互聯(lián)互通技術(shù)框架方案的呼吁下，啟動(dòng)了3個(gè)合稱(chēng)為T(mén)rioTRAIN的鐵路項(xiàng)目。這3個(gè)相關(guān)的項(xiàng)目包括：高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)(AeroTRAIN項(xiàng)目)，車(chē)輛-軌道動(dòng)力學(xué)(Dyn‐oTRAIN項(xiàng)目)，受電弓和接觸網(wǎng)相互作用(Panto‐TRAIN)。其中，AeroTRAIN項(xiàng)目[22]中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域就是飛砟問(wèn)題，研究?jī)?nèi)容包括：1) 評(píng)估氣動(dòng)載荷與飛砟風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系；2) 測(cè)量不同型號(hào)列車(chē)在軌道上引起的空氣動(dòng)力載荷；3) 開(kāi)發(fā)測(cè)量和后處理程序，捕捉飛砟問(wèn)題的基本參數(shù)；4) 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)軌道的空氣動(dòng)力學(xué)特性；5) 提出歐盟鐵路互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范(TSI)飛砟標(biāo)準(zhǔn)的框架。

2.2 研究歷程

對(duì)于飛砟問(wèn)題的關(guān)注興起于21世紀(jì)初，隨著高速鐵路的發(fā)展和列車(chē)提速，飛砟現(xiàn)象廣泛出現(xiàn)在高速鐵路有砟軌道上，歐盟主要有砟軌道國(guó)家不斷摸索，在多個(gè)科研項(xiàng)目的推動(dòng)下，陸續(xù)開(kāi)展對(duì)飛砟問(wèn)題機(jī)理研究；同時(shí)，一些飛砟緩解措施也在工程實(shí)踐中開(kāi)始應(yīng)用。本節(jié)系統(tǒng)梳理有砟軌道國(guó)家的飛砟研究歷程和進(jìn)展。

1) 法國(guó)

2003年和2004年，ICE3型列車(chē)在法國(guó)測(cè)試運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)了非常嚴(yán)重的飛砟問(wèn)題，列車(chē)和軌道受到了不同程度的損壞，其嚴(yán)重程度是在其他TGV線(xiàn)路上(甚至更高運(yùn)營(yíng)速度)從未見(jiàn)過(guò)的。隨后，法國(guó)和德國(guó)的工作人員根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象，展開(kāi)了一系列的研究工作，最終發(fā)現(xiàn)列車(chē)底部結(jié)構(gòu)不平緩引起的渦流是導(dǎo)致飛砟問(wèn)題的主要原因，隨后，對(duì)ICE3型列車(chē)的底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。2005年，在列車(chē)運(yùn)行期間，利用風(fēng)速測(cè)量設(shè)備和視頻監(jiān)控設(shè)備等對(duì)軌道表面的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境和飛砟破壞情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)飛砟頻率和強(qiáng)度大大降低[16]。由于受飛砟現(xiàn)象的影響，自2004年以來(lái)，法國(guó)SNCF對(duì)所有新運(yùn)營(yíng)的高速列車(chē)或速度超過(guò)320 km/h的列車(chē)，進(jìn)行一些特定監(jiān)測(cè)，包括振動(dòng)加速度、麥克風(fēng)記錄道砟撞擊數(shù)、視頻監(jiān)控和列車(chē)風(fēng)速測(cè)量等。

同時(shí)還需值得注意的是，冬季線(xiàn)路冰雪積聚與脫落，引起的飛砟問(wèn)題經(jīng)常出現(xiàn)，因此，法國(guó)SNCF建立了天氣預(yù)報(bào)、冰雪飛濺警報(bào)和限速運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)[23]。如圖2所示，控制中心根據(jù)天氣預(yù)報(bào)向列車(chē)發(fā)布指令，將不同速度下的運(yùn)行分為：正常運(yùn)行、謹(jǐn)慎運(yùn)行和不可運(yùn)行3種類(lèi)型。例如，在2013年3月12日11時(shí)降雪量很大，列車(chē)需要降速到170 km/h，隨著天氣條件改善和線(xiàn)路除雪作業(yè)，14時(shí)列車(chē)恢復(fù)320 km/h的謹(jǐn)慎運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 法國(guó)天氣預(yù)報(bào)與列車(chē)限速方案[23]Fig.2 French train speed limit plan based on weather forecast[23]

2) 西班牙

西班牙對(duì)于飛砟問(wèn)題的關(guān)注開(kāi)始于2005年，發(fā)展部向議會(huì)提交的報(bào)告中，闡述了馬德里—巴塞羅那高速線(xiàn)馬德里—萊伊達(dá)段，當(dāng)列車(chē)以超過(guò)300 km/h運(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)道砟由于負(fù)壓作用被吸起、移動(dòng)甚至碰撞列車(chē)的現(xiàn)象[23]。隨后，馬德里大學(xué)和西班牙鐵路設(shè)施管理公司(ADIF)展開(kāi)飛砟現(xiàn)象的研究和評(píng)估工作，2008～2010年進(jìn)行了初步研究，隨后是AeroTRAIN項(xiàng)目(2010～2012年)，然后是Aurigidas項(xiàng)目(2012～2014年)。在上述研究項(xiàng)目的支持下，通過(guò)對(duì)道床表面風(fēng)壓荷載和道砟響應(yīng)研究分析預(yù)測(cè)飛砟風(fēng)險(xiǎn)。西班牙鐵路設(shè)施管理公司(ADIF)研究發(fā)現(xiàn)，軌枕部位容易引起風(fēng)壓分布不均勻以及渦流現(xiàn)象，通過(guò)優(yōu)化軌枕形狀，開(kāi)發(fā)空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化軌枕“Aerosleeper”，如圖3所示，優(yōu)化軌枕已安裝在馬德里—巴塞羅那高速鐵路部分線(xiàn)路段上，與常規(guī)軌枕道床相比，安裝優(yōu)化軌枕的軌道所受到的風(fēng)壓降低21%[17]，該解決方案仍在開(kāi)發(fā)中。另外，研究發(fā)現(xiàn)道砟顆粒密度的增加會(huì)有效降低表層道砟顆粒的飛濺概率，因此西班牙開(kāi)展了高密度道砟的研發(fā)工作[3]。通過(guò)多個(gè)項(xiàng)目的積累，西班牙鐵路設(shè)施管理公司進(jìn)行了飛砟問(wèn)題規(guī)范定義與發(fā)展的研究，現(xiàn)正在編寫(xiě)一份關(guān)于飛砟問(wèn)題的國(guó)家指南。

圖3 空氣動(dòng)力學(xué)防飛砟軌枕[17]Fig.3 Aerosleeper to control ballast pick-up phenomena[17]

3) 意大利

2004 年，意大利ETR 500 列車(chē)在當(dāng)時(shí)新建的羅馬—那不勒斯高速線(xiàn)上首次運(yùn)行期間，發(fā)生了道砟飛濺現(xiàn)象。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，線(xiàn)路采用整體式軌枕，道砟與軌枕頂面平齊，大量道砟顆粒散落在軌枕上側(cè)。另外，在都靈—米蘭路線(xiàn)上，ETR 500列車(chē)以300 km/h的速度運(yùn)行時(shí)也曾出現(xiàn)過(guò)飛砟問(wèn)題[4]。

因此，意大利提出了降低道砟頂面高度2～3 cm的措施，如圖4所示，同時(shí)注重道床表面的清潔，取得了良好的效果；但降低道砟層厚度會(huì)降低道床橫向約束力，進(jìn)而增加振搗次數(shù)。采用相應(yīng)的措施后，意大利鐵路并未出現(xiàn)進(jìn)一步的飛砟問(wèn)題，但隨著高速鐵路發(fā)展，對(duì)于運(yùn)行速度超過(guò)300 km/h的ETR 1000列車(chē)和相應(yīng)高速線(xiàn)路的軌道配置都提出了更高的要求，意大利正在開(kāi)展相關(guān)的研究。

圖4 降低道砟頂面高度[4]Fig.4 Lowered ballast profile[4]

3 標(biāo)準(zhǔn)前沿

基于飛砟問(wèn)題的研究項(xiàng)目和研究進(jìn)展，部分國(guó)家和組織也在標(biāo)準(zhǔn)制定中聚焦飛砟問(wèn)題，如提出評(píng)估飛砟風(fēng)險(xiǎn)的測(cè)試方法或發(fā)布飛砟標(biāo)準(zhǔn)研究指南，致力于飛砟評(píng)估和防治標(biāo)準(zhǔn)化，本節(jié)對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指南進(jìn)行梳理，并與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，以提供標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的新思路。

3.1 飛砟測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(EN 14067-7:2021和SAMX012)

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

EN 14067-4“鐵路應(yīng)用-空氣動(dòng)力學(xué)-明線(xiàn)鐵路空氣動(dòng)力學(xué)的要求和測(cè)試程序”是評(píng)估列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)特性的主要?dú)W洲標(biāo)準(zhǔn)[24]。2013年，根據(jù)Aer‐oTRAIN項(xiàng)目的結(jié)果，將一種通用的空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試方法作為附件引入歐盟標(biāo)準(zhǔn)，其目的是制定統(tǒng)一、可實(shí)施的程序和方法，以統(tǒng)計(jì)更廣泛的歐洲列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)而能夠在今后修訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)考慮不同國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)和要求。這種方法的評(píng)估重點(diǎn)是高速列車(chē)，并未提出對(duì)軌道基礎(chǔ)設(shè)施的評(píng)估方法。法國(guó)國(guó)家鐵路安全局(EPSF)于2015年發(fā)布了規(guī)范SAMX012：道砟飛濺(Envols de ballast)[25]，該規(guī)范描述了評(píng)估高速列車(chē)飛砟概率的方法。具體來(lái)說(shuō)，該規(guī)范是對(duì)軌道進(jìn)行全尺寸的風(fēng)速測(cè)量，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算出由列車(chē)高速運(yùn)行導(dǎo)致的飛砟風(fēng)險(xiǎn)參數(shù) PCEB(Paramètre caractéristique du envol de ballast)，以此衡量飛砟風(fēng)險(xiǎn)。EN 14067-7“鐵路應(yīng)用—空氣動(dòng)力學(xué)—列車(chē)引起飛砟問(wèn)題的研究要求和試驗(yàn)程序”，旨在對(duì)EN 14067標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)充，于2021年4月發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)最新補(bǔ)充文件：EN 14067-7:2021，標(biāo)準(zhǔn)借鑒了法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的方法，明確了軌道空氣動(dòng)力學(xué)特性測(cè)試和飛砟概率計(jì)算程序[16]。

3.1.2 測(cè)試程序

規(guī)范EN 14067-7:2021規(guī)定了時(shí)速250 km/h以上列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，軌道上的空氣速度的測(cè)量程序[16]。法國(guó)SAMX012規(guī)范與歐盟EN 14067-7現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置如下，其中，法國(guó)有砟軌道空氣動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)由6個(gè)空氣速度傳感器(皮托管)組成，2個(gè)位于軌道中心位置，4個(gè)位于鋼軌內(nèi)側(cè)175 mm處；而歐盟規(guī)范要求布置3個(gè)空氣速度傳感器，分別位于軌道中心、以及中心兩側(cè)200 mm處，如圖5所示。測(cè)試要求使用盡可能長(zhǎng)的列車(chē)配置進(jìn)行，對(duì)于非對(duì)稱(chēng)列車(chē)組合，應(yīng)在2個(gè)運(yùn)行方向上進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試要求至少采集20組獨(dú)立且可比較的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，參考速度是列車(chē)的最高速度，但最高限制為320 km/h。

圖5 飛砟測(cè)試配置[16, 25]Fig.5 Test configuration for train-induced ballast projection[16, 25]

3.1.3 飛砟概率計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)軌道風(fēng)速測(cè)量數(shù)據(jù)，可計(jì)算給定時(shí)間間隔內(nèi)所有皮托管信號(hào)能量的平均分布，即全局功率PT：

其中：N是皮托管的數(shù)量；v(t)是空氣流量；t1和t2代表火車(chē)通過(guò)的時(shí)間間隔。然后可以計(jì)算某型號(hào)列車(chē)全局信號(hào)功率PT的平均值μtrain和標(biāo)準(zhǔn)偏差σtrain，求和可得到評(píng)估飛砟風(fēng)險(xiǎn)的參數(shù)PCEB：

規(guī)范中根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，給定了運(yùn)行速度250 km/h和參考速度320 km/h的飛砟參數(shù)PCEB的閾值為9 200 m2/s2。

3.2 歐盟鐵路互聯(lián)互通技術(shù)(TSI)規(guī)范

歐盟鐵路互聯(lián)互通技術(shù)(TSI)規(guī)范并未發(fā)布飛砟評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，但在多個(gè)研究指南中對(duì)飛砟問(wèn)題進(jìn)行了展望，指出目前的技術(shù)水平還不能夠規(guī)定統(tǒng)一的要求或評(píng)估方法，TSI允許采用不同國(guó)家規(guī)則。但需要考慮飛砟發(fā)生的情況和相應(yīng)的安全影響，目標(biāo)是制定適用于全歐盟的經(jīng)濟(jì)有效的方法[26]。

基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范：INF TSI是對(duì)最高速度大于或等于200 km/h的線(xiàn)路的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在2019年5月實(shí)施的歐盟實(shí)施細(xì)則(EU)2019/776(修訂)中，補(bǔ)充了3條對(duì)有砟軌道空氣動(dòng)力學(xué)影響的研究指南：

1) 機(jī)車(chē)車(chē)輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的空氣動(dòng)力相互作用會(huì)引起道床上道砟顆粒移動(dòng)甚至飛起，應(yīng)考慮減少這種風(fēng)險(xiǎn)。

2) 應(yīng)對(duì)運(yùn)行速度250 km/h以上的線(xiàn)路評(píng)估飛砟風(fēng)險(xiǎn)。

3) 飛砟機(jī)理仍不明確，缺乏系統(tǒng)深入的研究。

3.3 我國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)飛砟問(wèn)題的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但從列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)和軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面，出臺(tái)了相應(yīng)的規(guī)定，對(duì)緩解飛砟問(wèn)題起到了重要的作用。

《高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算和試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》[27]基于列車(chē)動(dòng)力學(xué)性能和聲學(xué)要求對(duì)時(shí)速200～350 km/h的列車(chē)外形進(jìn)行了規(guī)定。要求：列車(chē)頭部鼻錐下方應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流板；車(chē)體底部應(yīng)設(shè)置全封閉底罩；不同截面車(chē)體混編時(shí)，應(yīng)設(shè)置平滑過(guò)渡段；列車(chē)外形設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮避免在車(chē)頭、車(chē)頭底部和車(chē)輛連接處等處產(chǎn)生渦流。該規(guī)定通過(guò)優(yōu)化列車(chē)結(jié)構(gòu)，改善列車(chē)底部和軌道表面的流場(chǎng)特性，可以達(dá)到減少飛砟風(fēng)險(xiǎn)的目的。

《高速鐵路有砟軌道線(xiàn)路維修規(guī)則》(TG/GW 116—2013)[28]規(guī)定時(shí)速250 km/h以上高速鐵路有砟軌道砟肩應(yīng)采用尖肩式且砟肩堆高為100 mm，較時(shí)速200 km/h的線(xiàn)路降低砟肩堆高50 mm；同時(shí)要求道床頂面位置在軌底處應(yīng)低于軌枕承軌面40～50 mm，在道岔區(qū)應(yīng)低于岔枕頂面以下40～50 mm。該規(guī)則通過(guò)降低砟肩堆高以?xún)?yōu)化軌道空氣動(dòng)力學(xué)特性，通過(guò)降低道床頂面位置以限制道砟在負(fù)壓作用下移動(dòng)和飛濺。

查閱國(guó)內(nèi)外規(guī)范[19?31]，將道床斷面尺寸要求整理如表1所示，世界各國(guó)都根據(jù)列車(chē)運(yùn)行速度對(duì)道床結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的要求。由于高速鐵路對(duì)軌道彈性和穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求，時(shí)速250 km/h以上的線(xiàn)路在道床厚度、砟肩寬度和頂面寬度等指標(biāo)上有了不同程度的提高。然而為優(yōu)化砟肩處流場(chǎng)特性，減低飛砟風(fēng)險(xiǎn)，中國(guó)率先將降低砟肩堆高和道床頂面位置的措施在維修規(guī)則中體現(xiàn)出來(lái)。

表1 各國(guó)高速鐵路道床尺寸要求[29?31]Table 1 Track bed geometry requirements of high-speed railways in different countries[29?31] cm

4 結(jié)論與建議

1) 目前對(duì)于有砟道床散體動(dòng)力學(xué)特性與氣動(dòng)優(yōu)化協(xié)同的研究不足，飛砟安全性和道床穩(wěn)定性的矛盾尚未解決，需要進(jìn)一步協(xié)同研究；解決好列車(chē)與軌道之間的相互關(guān)系，優(yōu)化列車(chē)和軌道結(jié)構(gòu)，是預(yù)防飛砟問(wèn)題的關(guān)鍵。

2) 歐盟標(biāo)準(zhǔn)和鐵路互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范發(fā)布了評(píng)估飛砟風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)范和相關(guān)技術(shù)指南，致力于評(píng)估飛砟風(fēng)險(xiǎn)和指導(dǎo)研究方向，但世界各國(guó)高速鐵路飛砟問(wèn)題評(píng)估與運(yùn)維仍落后于建設(shè)發(fā)展的需求，需要進(jìn)一步建立完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。

3) 我國(guó)并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)飛砟問(wèn)題的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但從列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化和軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面，出臺(tái)了相應(yīng)的技術(shù)要求，率先在時(shí)速250 km/h的高速線(xiàn)路暫行規(guī)則中明確采用降低砟肩堆高和道床頂部位置的方法，對(duì)緩解飛砟問(wèn)題起到了重要作用。