高速铁路列车鸟击及防范研究

胡安华，韩继公，李 阳

(中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 400023)

1 概述

自1999年修建秦沈客运专线以来，我国高速铁路的建设迎来了黄金10年，在京沪高速铁路先导段国产和谐号380A动车创造了时速486.1 km的世界高速铁路最高试验运营新纪录，轮轨高速技术取得了突破性进展。然而，在取得辉煌成绩的同时，也引出了一些新课题，高速铁路鸟击防范问题便是其中之一。

鸟击又称鸟撞，是指鸟类与飞行中的人造飞行器、高速运行的列车、汽车等发生碰撞，造成伤害的事件。以前鸟击多指鸟与飞行的飞机相撞，随着高速铁路的发展、列车运行速度的飞速提高，鸟与火车的碰撞也应被列为需要防范的事故之一。

飞机防鸟击研究已有几十年的历史[1]，但高速铁路鸟击防范研究在国内外尚无先例，随着世界高速铁路快速发展，深入开展高速铁路鸟击防范研究具有极其重要的现实意义。

2 高速铁路列车鸟击危害及特点

列车鸟击的危害可分为直接危害和间接危害两种。虽然鸟击至今尚未造成高速铁路运营重大安全事故，但其造成的负面影响却会很大，高速铁路鸟击所造成的间接损失远远超过直接经济损失。

2.1 列车鸟击的直接危害

列车鸟击产生的直接危害主要表现为对牵引机车的损害，主要有:

(1)损伤机车表面。根据物理动力学定律，鸟击的危害表现为由于飞鸟与列车高速相对运动，飞鸟与机车迎风面相撞，从而对机车风挡面造成物理损害;

(2)飞鸟尸体有可能使机车挡风玻璃污损、阻挡视线而发生不可预见的临时停车清理，或导致列车降速运行，打乱列车正常运行图;

(3)为避免鸟击危害，列车经行飞鸟多的地段需限速行驶、导致列车延误;

(4)机车破损增加修复作业，降低机车运用效率。

例如，武广高速铁路运营初期，频频发生鸟击，鸟击常导致列车停车检查、限速行驶、列车晚点等不良后果。而临时停车检查不仅延误旅行时间，更可能会在调度出现纰漏时酿成重大安全事故。鸟击后的机车风挡表面见图1。

图1 鸟击后的机车风挡表面

2.2 列车鸟击的间接危害

鸟击产生的间接危害主要有:

(1)引发社会对高速铁路运营安全的担忧，不利高速铁路的发展;

(2)撞死大量飞鸟，不利生态和环保，从而有可能引发爱鸟人士的抵触，不利高速铁路的发展;

综上，鸟击的间接危害更应值得重视，因此高速铁路鸟击防范研究是必要的，也是紧迫的。

2.3 高速铁路列车鸟击的特点

2.3.1 列车稳定性高于飞机

列车附着轨道并受约束行驶，飞机依靠发动机动力及相对风速提供的升力飞行，列车车头流线形设计与飞机截然不同;且列车质量大、比飞机更牢固，故遭遇鸟击时列车的稳定性远高于飞机。

2.3.2 鸟击作用点不同

飞机鸟击多发生在低于1 000 m的低空空域，鸟击部位可能为飞机前端导航系统，机翼、尾舵、螺旋桨、发动机内部或其余部位表面[1，2];而高速铁路鸟击多发生于机车车头迎风面下方3/4位置，鸟击撞点较为集中，且在列车运行期间同一点附近可能会遭受多次高频率撞击，即相当于疲劳荷载作用(图2)。对于飞机，因鸟击部位多为关键零部件，鸟击造成的伤害多数会危及其正常飞行甚至导致空难事故;但对于列车，鸟击尚未造成重大安全事故。

图2 遭遇鸟击后的机车车头

综上，列车鸟击直接损害较小，但间接危害面广;同时，列车鸟击的危害程度远小于飞机，列车的安全性远高于飞机。

日本新干线自运营以来，从未发生过列车颠覆和旅客伤亡事故，法国高速铁路10多年来也始终保持安全运营的良好纪录。但温州“7.23”动车追尾事件表明，因任何原因导致的列车停车或事故均可能酿成重大安全事故，故列车鸟击也应同样被高度重视，必须防范，未雨绸缪，寻求有效解决方法。

3 鸟击成因分析

根据相关鸟击记录和实地观察，列车鸟击多数是因铁路线路附近人为活动少导致飞鸟聚集、列车高速运行飞鸟来不及躲避而造成的。概括起来，导致鸟击的主要原因有:(1)高速铁路经行区域;(2)高速铁路工程类别;(3)高速铁路沿线绿化、防护措施;(4)垃圾吸引飞鸟;(5)列车运行速度。

具体分析如下。

(1)高速铁路线路长，若经行大型鸟类栖息、繁殖场所多，如大面积的树林、水域，将大大增加鸟击概率。

(2)除鸟类栖息繁殖区域外，鸟击也多发生在高速铁路路基地段。路堑段路基因局部空间小，如排水不畅，或低路堤段有积水坑、水塘等，将会吸引附近飞鸟觅食、休息，增加鸟击事件。高速铁路路堑段路基见图3。

图3 高速铁路路堑段路基

(3)目前，高速铁路路基地段边坡常采用喷播植草，栽种乔木、灌木等方式护坡、绿化，大多的草皮及乔木会结草籽和果实，加之吸引的昆虫，成为鸟类食物，吸引飞鸟聚集而造成鸟击。

(4)高速铁路列车运行速度高，飞鸟往往来不及逃避即被撞击致死。

(5)在车站、枢纽附近或高速铁路列车与普通列车、货车并行地段，铁路轨道常附有食物垃圾和直排秽物，这常常是吸引飞鸟，导致鸟击的重要原因。

4 鸟击碰撞计算

根据动量守恒定理，如列车与飞鸟视为一个系统，碰撞瞬间该系统动量守恒。列车与飞鸟质量相比，飞鸟质量可不计，则在鸟击过程中，列车速度可视为不变，撞击中飞鸟与列车最终相对速度变为0。对飞鸟进行动量分析，经计算可得列车遭受鸟击时受到的冲击力，从而对危害程度进行评估。

4.1 碰撞模型

鸟击为完全非弹性碰撞。由于鸟击过程时间极短(毫秒级)，为简化鸟击撞击力的计算形式，假设鸟击过程中飞鸟受碰撞先做减速运动(第一阶段)，而后受列车推动做加速运动加速至车速(第二阶段)，与列车一起运动直至飞鸟残体被风刮走。据此可计算列车遭受鸟击时受到的平均碰撞力。

大多数陆地迁徙鸟类的飞翔时速在30～100 km(最快的尖尾雨燕时速可达170 km，海洋上信天翁瞬时急速可达时速350 km)，假设鸟击时飞鸟速度v为100 km/h;以中型鸟进行检算，假设其质量m为1.0 kg、撞击过程中飞鸟质心与列车碰撞面相对运动距离L为10 cm(大致为中型鸟一半身长);同时，假设列车时速350 km、鸟击不影响其速度，按最不利情况(相向运动)撞击考虑。

假设第一阶段飞鸟与列车相对运动距离为βL(β为相对位移系数)。

4.2 碰撞力计算

鸟击碰撞过程中，动量守恒，动能不守恒，故本文采用动量分析计算碰撞力较为准确。

(1)第一阶段(飞鸟减速运动)

在第一阶段，飞鸟做减速运动，飞鸟与列车相向运动。设碰撞力平均值为F、作用时间t、飞鸟平均加速度为a，设飞鸟在撞击开始和减速运动结束时速度分别为v0(=100 km/h)、v'(=0)。鸟的翅膀、腿部、头颈及羽毛能起到较好的缓冲作用，故第一阶段相对运动距离较第二阶段大，则令 β=0.6，则可建立以下方程组

求解得:t=5.4×10－4s

根据动量定理，飞鸟受外力的冲量等于其动量的改变量，据力的相互作用原理，机车在飞鸟减速运动过程中受到的碰撞力平均值F为

求解得:F≈51 440.3 N

如碰撞面积A按30 cm2考虑，则列车遭遇鸟击时局部平均压强

(约合169倍标准大气压)

(2)第二阶段(飞鸟加速运动)

在第二阶段，飞鸟做加速运动。同样，设碰撞力平均值为F、作用时间t、飞鸟平均加速度为a，飞鸟在鸟击开始和加速运动结束时速度分别为v0(=0)、v'(=V车=350 km/h)，β=0.6。则可建立以下方程组

求解得:t=8.228 57×10－4s

第二阶段列车受到的碰撞力平均值F为

求解得:F≈118 152.0 N

因第一阶段飞鸟已产生部分变形，第二阶段碰撞面积按第一阶段的1.2倍即36 cm2考虑，则列车遭遇鸟击时局部平均压强如下

由此可见，鸟击撞击力是极大的，钢化玻璃抗压强度在125 MPa以上，理论上讲，鸟击不能造成其结构损坏，但鸟击的反复作用可能造成机车铝合金表面、风挡玻璃表面损伤和仪器损坏;同时，列车在鸟击导致的疲劳荷载作用下可能产生局部拉应力从而破坏风挡玻璃(抗拉强度30～60 MPa)。

上述β取值为估算取值，仅能对撞击力粗略估算、对风挡玻璃损伤程度做简单分析。列车鸟击应参照飞机鸟撞研究方法，建立荷载模型[3]、动响应分析方法、鸟体模型及风挡玻璃破坏准则等[4～6]，建议有关部门应积极介入，系统地深入研究。

4.3 撞击力计算公式推导

由式(1)、(2)及式(4)、(5)，列车遭受鸟击时受到的平均撞击力简化计算公式为

式中F——鸟击时机车受到的平均冲击力，N;

V车——鸟击时列车运行速度，m/s;

v0——鸟击时飞鸟初始速度在列车运行方向上的分量，m/s;

m——鸟击发生时飞鸟的质量，kg;

L——鸟击过程中，飞鸟与列车相对运动距离

在列车运行方向的分量，m;

β——鸟击系数(与碰撞形式及变形相关的系数)，0＜β＜1。

分析式(7)，鸟击时列车受到的撞击力有以下规律:列车受到的冲击力与飞鸟质量成正比，与撞击过程中相对运行距离成反比。在第一阶段，冲击力与飞鸟初始速度呈二次函数关系、与列车运行速度线性相关;在第二阶段，相当于列车与变形后静止的飞鸟相撞，冲击力与列车速度的二次方成正比。

飞鸟质量一般较小，因而鸟击的破坏主要取决于列车和飞鸟的速度而非鸟类本身的质量，速度的提高将导致撞击力呈几何级数地增加。

经分析，当车速为0时，撞击力主要是由飞鸟动能瞬间损失导致;当车速大于0，但车速仍较小时，鸟击时第一阶段列车受到的撞击力较第二阶段受力大;当车速较大时，即v0时，第二阶段撞击力将大于第一阶段撞击力。

上述计算过程中β取值将作进一步研究，以便式(7)在实际工程中的应用推广。鸟击属完全非弹性碰撞，各阶段的平均碰撞力及相对运行距离不仅取决于飞鸟本身(大小、质量、类型等)，同时也取决于鸟击时撞击面法线与列车、飞鸟速度方向的关系。

5 鸟击的防范方法

我国一直高度重视铁路特别是高速铁路的运营安全。到2012年，我国高速铁路将初步成网，确保高速铁路安全成为全国铁路工作首要任务。

我国大陆高速铁路运行速度较日本及中国台湾高、线路覆盖范围更广，鸟击概率和危害更大。随着环保力度的加强，铁路建设加强了绿化、减少对植被的破坏，铁路沿线鸟类增多，防范鸟击又不能伤害鸟类，防范鸟击成为一个世界性难题。

日本和中国台湾的高速铁路一直受鸟击的困扰，虽未造成重大运营安全事故，但引发了社会和环保人士的高度关注，除持续进行监测外，目前还暂无其他有效解决方法。在日本，高速铁路鸟击被认定为自然现象，没有被特别防范;在中国台湾，对有大群候鸟活动地段设置穿越通道，但目前并无根本的防范方法。

5.1 机场鸟击防范方法

机场防范鸟击主要是通过驱鸟和破坏周边鸟类生存环境来减少鸟击。主要有听觉威慑法、视觉威慑法、化学试剂和捕捉等，如制作风车、旗帜、猛禽模型、稻草人，或使用空气炮，超声波等方法防范鸟击[1，2，7，8]。

但是，除超声波外，鸟类往往会在经历一段时间后，便适应了环境，对上述方法变得熟视无睹，故都不能彻底解决问题。而超声波驱鸟器主要是通过恶化鸟类生存环境起到长久驱鸟作用，见效慢，且对鸟类危害大，对于高速铁路有立即实时驱鸟的场合，并非十分适用。本文根据鸟击的成因及规律，提出列车鸟击防范方法如下。

5.2 高速铁路鸟击防范方法

目前，国内外尚无高速铁路鸟击防范研究成果资料，高速铁路线路长，覆盖范围广，沿线生态环境复杂，飞鸟种类多、数量多，鸟击防范不能完全借鉴机场的方法。结合生态和环保，本文从减少吸引飞鸟的因素和探索驱鸟方法出发，探讨性地提出以下防范鸟击的方法。

5.2.1 工程绕避法

在高速铁路项目立项可研之初，需要对所经区域的生态环境作出评估，线路应尽量避免穿行大型鸟类栖息地和迁徙补给地，从源头上减少鸟击的概率。

5.2.2 环境饥饿法

即利用不利于鸟类生息的环境因素。

(1)减少高速铁路沿线不必要的水池、水塘等;同时，完善铁路沿线的排水工程设施，保持排水通畅，避免积水，减少对飞鸟的吸引。

(2)破坏铁路沿线昆虫、蚯蚓等鸟类喜欢捕食生物的生存环境，不仅能减少虫害对铁路运输安全的影响，且能有效减少鸟类活动和觅食的几率从而减少鸟击;同时，铁路边坡防护植草应采用不结草籽的草皮，采用不结果实的乔木、灌木等，减少对飞鸟的吸引。

(3)清除沿线垃圾，保持铁路轨道清洁，减少对飞鸟的吸引。

5.2.3 物理驱赶法

(1)外观设计防范鸟击

鸟类具有敏锐的视力(高出人类6倍)和畏惧天敌的天性。可在机车正面、机车车顶、侧面绘制猛禽图案，驱离鸟群，这是最经济、最环保和最具操作性的物理措施。

类似的思路如澳大利亚一家航空公司曾在飞机前方画上一个大嘴，两侧画上两只大眼，让飞机也变成一只大鸟吓跑飞鸟，从而有效减少了鸟击。高速铁路列车也可参照飞机的作法，进行试验和实践。

(2)车载驱鸟系统

将驱鸟电子炮结合雷达、电脑自动控制系统，装置于列车车头，在雷达检测到有飞鸟路段，即自动激发电子炮，驱赶飞鸟。大型驱鸟电子炮有效作用半径50 m或更大，飞鸟神经长度比人短，无论是电子炮爆炸声或是闪光，飞鸟都有足够时间反应并逃离现场，避免鸟击，即使经过反复长时间也不会适应。

驱鸟电子炮利用电子激发空气爆炸，高功率爆炸声响的频率设计在鸟类的最敏感频段，闪光也会刺激鸟的眼睛，使鸟迅速逃离现场，达到驱鸟效果，但该方法存在扰民缺点。

5.2.4 其他综合防治法

(1)高速铁路正式运营前，应进行“行车鸟击观察作业”;同时，制定列车出现鸟击现象后的对应措施，减少事故停车频率。

根据中国台湾高速铁路运营记录:通车前，平均每天每列车有5次鸟击;通车初期每天38对，每天每列车鸟击次数增到10次;但列车数量增到每天62对后，每天每列车鸟击次数降为5次;增至每天91对后，再降到每天每列车1.5次。

以上经验表明，物种会通过自己的经历而学习，从而自行调整，鸟类也不例外。在高速铁路正式运营前，可参照以上运营记录并结合季候做“行车鸟击观察作业”，让鸟类自行调整飞行、活动习惯，正式运营后，可有效减少鸟击。

同时，为保证运营秩序，应根据“行车鸟击观察作业”记录的鸟击频率规律，制定鸟击事故等级判别及对应措施，并纳入日常运营程序。

(2)参照机场的经验，加强高速铁路沿线飞鸟种类、飞鸟生活规律监测，开展沿线生态调查。结合鸟类学、生态学、气象学、铁路行车及鸟击规律，建立一个综合性跨学科预警防范系统[1，8～10]。

(3)加强高速铁路沿线安全巡视和检查。

6 结语

随着我国高速铁路运营里程的不断增长，列车鸟击的危害随着列车速度的提高而急剧增加，对列车鸟击进行深入研究和防范是必需的也是紧迫的。从现状看，我国尚未系统开展此类研究，本文提出的观点需在实践中进一步验证，对于已开通运营或待建、在建的高速铁路，建议相关部门应积极介入、综合防治，制定防范鸟击相关规定并及时采取有效措施，消除高速铁路列车鸟击安全隐患，为我国高速铁路的进一步发展创造必要条件。

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