列车脱轨诱因系统化定量分析及防控措施研究

仝凤壮,高 亮,朱建华

(北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

目前，我国轨道交通事业快速发展，已从大规模建设阶段逐步转变为长期安全稳定运营阶段，如何科学维护轨道交通运营线路，使其长期保持高安全、高稳定、高可靠的运营品质，是我国现阶段面临的重大科学问题.

列车脱轨作为最严重的轨道交通安全事故，会导致重大经济损失和人员伤亡等后果.然而，不同因素引发列车脱轨的危害程度存在很大差异，如2008年胶济线4·28脱轨事故，造成72人死亡，100多人受伤；2010年的沪昆线脱轨事故造成19人死亡，70余人受伤；2011年甬温线7·23脱轨事故造成72人死亡，170余人受伤；2020年3·30列车脱轨事故造成1人死亡、4人重伤、123人轻伤；2020年6月7日贵广线动车组脱线事故未造成人员伤亡[1-5].这些伤亡数字差异表明不同脱轨诱因造成的列车脱轨事故会产生不同程度的危害，因此在研究列车脱轨机理及防控措施之前有必要深入了解列车脱轨事故与影响因素及脱轨后危害程度之间的复杂交互关系，实现针对特定运行条件下列车脱轨事故精细化防控预防策略的制定、评估和实施，最大限度地降低由列车脱轨带来的危害.

国内外学者针对列车脱轨因素分析做了大量研究，同时也取得了很大的成果.部分学者从列车脱轨机理角度进行分析，提出列车脱轨防控措施，进而在一定程度上减少了列车脱轨事故的发生[6-9]，但由于列车脱轨因素众多，事故诱因判别相当复杂，因而未涉及脱轨诱因与脱轨频率、灾难程度等之间的关联关系的研究.翟婉明等[10]针对列车脱轨事故原因的复杂性，开发研制了脱轨事故智能分析支持系统(Intelligent Derailment Analysis Support System, IDASS)，为脱轨事故调查分析提供了新的现代化分析手段.谭跃进[11]提出了社会调查方法及统计分析方法，为脱轨事故数据统计与定量化分析提供了理论参考.文献[12]对美国华盛顿货车脱轨数据进行分析，研究了主线上货运列车脱轨诱因对货车脱轨危害程度的影响规律，发现脱轨次数和脱轨车辆总数分别与列车脱轨率和车辆脱轨率直接相关.Anderson[13]分析了干线货运列车脱轨的风险，研究了货运列车脱轨概率与列车编组数量、列车运行轨道和行驶距离之间的关系，得到列车越长发生脱轨事故的可能性越大的结论.Schafer等[14]总结了列车编组数量对列车编组系统脱轨频率的影响规律，列车编组数量越长列车脱轨频率越大，但是相对整个列车编组系统车辆脱轨率有所降低.Samantha等[15]探明了在平交道口汽车类型及列车速度对列车脱轨发生概率大小的影响，大型汽车车辆如半挂牵引车，会造成不成比例的脱轨，但车辆尺寸不影响脱轨的严重程度，对汽车车辆碰撞速度和列车碰撞速度的检测表明，在较高的汽车车速和较低的列车速度下更容易发生脱轨.Liu等[16]分析了美国货运列车诱发脱轨因素，结果表明钢轨断轨是货运列车脱轨的主要因素.Kawprasert[17]提出了铁路危险品运输风险定量评估方法，以确定在不同因素条件下，造成最大风险的运输路线和路段，识别出事故率最高的路段以及影响风险的各种因素.Schlake[18]为了降低列车脱轨频率，对列车车载故障检测系统展开了研究，旨在车辆缺陷导致列车脱轨事故之前及时识别故障并报警.

总结现有研究成果分析发现，从机理角度对列车脱轨进行的研究，只考虑单一或少数影响因素，且研究成果被独立运用到列车安全评估中.此外，大多研究是通过对某一特定运行条件下列车脱轨数据进行分析，研究特定运营环境下列车脱轨规律并提出特定的防脱轨措施，鲜见有系统化定量分析脱轨时不同线型、时速以及诱因等因素交互作用对车辆脱轨特征的影响规律.

本文作者通过获取我国铁路系统1997年至2020年所发生的较大列车脱轨事故报告摘要，以高度聚合的方式获取统计数据，基于多元统计分析法对我国近年来发生的列车脱轨事件的诱因类型、线路类型、脱轨时速及车辆脱轨后特征展开系统化定量分析，旨在获得上述不同因素对列车脱轨频率及脱轨危害程度交互作用规律.该研究可以为进一步深入了解特定运行条件下列车脱轨事故精细化预防策略的制定、评估和实施提供理论依据，为针对性开展列车脱轨事故诱发机理及综合防控措施的研究提供参考.

1 列车脱轨诱因分析

1.1 列车脱轨诱因概述

列车脱轨即为列车车轮摆脱钢轨约束，诱发列车脱轨的因素众多，并且各种因素之间存在复杂的关联关系，分析我国近年来列车脱轨事故诱因并对其进行归纳分类，主要因素可总结为：轨道状态不良、列车故障、列车超速、自然灾害、列车等因素，详细划分如表1所示，表1中，主观人为因素(盗取钢轨、盗取列车通信电缆、擅自改变钢轨道岔方向等)诱发的列车脱轨单独列为人为错误操作来考虑，而非主观人为因素导致的列车脱轨则列为直接因素.线路不平顺不包含胀轨跑道引起的方向不平顺及轨距加宽引起的轨距不平顺；线路不平顺超限包含：轨向、高低、三角坑、复合不平顺等不明因素；列车运行状态不良包含：车辆悬挂刚度、车轮病害等不明因素.

表1 列车脱轨因素

1.2 列车脱轨诱因敏感性分析

为系统量化造成列车脱轨的诱因影响规律，对不同子因素展开详细研究，采用脱轨频率衡量列车脱轨频发程度，列车车辆脱轨总数综合表征列车累积脱轨危害程度，平均脱轨车厢数表征单次脱轨危害程度.列车脱轨因素众多，面对列车脱轨事故，首先展开诱发列车脱轨因素敏感性分析，通过对原始数据中相同诱因的脱轨事故进行归类处理，各因素脱轨事故次数与脱轨事故总数的比值表征各因素的脱轨频率，因此获得脱轨频率与脱轨诱因之间的关系.列车一旦脱轨将造成巨大的人员伤亡及经济损失，因此有必要开展不同因素对列车脱轨危害程度的敏感性进行分析.我国铁路部门一般利用列车脱轨车厢数、伤亡人数、阻断通行时长等参数对列车脱轨事故严重程度评价，为研究不同脱轨因素对列车脱轨造成的危害程度，统计了不同脱轨因素诱发脱轨后造成的平均脱轨车辆数.脱轨车辆总数综合说明了列车脱轨诱因所带来的累计危害程度，因此，对不同因素下累计脱轨车辆数进行统计分析.针对脱轨诱因造成的脱轨频率、事故严重程度与累积危害程度统计情况如表2所示.

由表2可知，诱发列车脱轨频率敏感性较强的前五位因素分别为：山体滑坡、追尾脱轨、人为错误操作、胀轨跑道、线路不平顺超限.其原因是随着我国铁路系统自动化水平不断提高，列车运行安全控制精细化程度也在提升，常规的列车脱轨诱因得到很大程度上防控，而山体滑坡受降雨、地质条件等多种因素影响，灾难发生具有随机性，控制难度较大，因此由于自然灾害因素诱发列车脱轨概率位居前列.危害程度位于前五位的分别为：制动失效、曲线超速、胀轨跑道、线路不平顺超限、横风，其中列车制动失效造成的列车脱轨事故危害程度最大，其原因是列车制动装置失效导致列车放飏，一旦脱轨则造成的事故危害程度极大.由胀轨跑道和山体滑坡造成列车脱轨的累计脱轨车辆数最大，线路不平顺超限次之，由此可以分析出这三种因素导致脱轨后对旅客安全及经济损失造成的巨大损失不容忽视.

表2 脱轨因素数值表

同时考虑列车脱轨频率及危害程度，综合分析不同因素对列车脱轨的影响规律，如图1所示，图1中横轴为列车脱轨频率，纵轴为列车脱轨危害程度，为便于比较不同原因的相对频率和危害程度，根据平均脱轨概率及平均脱轨危害程度将该图分为四个象限，平均脱轨概率计算式为

图1 我国列车脱轨频率及危害程度

(1)

式中：Pi为各因素下列车脱轨频率；N为脱轨诱因总数.

平均脱轨危害程度计算式为

(2)

式中：Hi为各因素下列车脱轨危害程度；N为脱轨诱因总数.

第一象限的胀轨跑道、线路不平顺超限引发列车脱轨，最有可能造成最大的事故风险，因为它们脱轨频率更频繁、每次脱轨造成的危害相对更严重.位于第二象限的制动失效、曲线超速、横风三个因素较为重要，因为由该三种原因产生的脱轨事件的平均严重程度很高，一旦由这三种因素诱发列车脱轨将造成灾难性的事故.位于第四象限的山体滑坡脱轨概率最高，并且其脱轨影响程度也接近平均值.由此可以分析出，应针对山体滑坡、胀轨跑道、线路不平顺超限、制动失效、曲线超速等因素开展列车脱轨事故诱发机理及防控措施的深化研究.

2 列车脱轨特征研究

2.1 列车脱轨的速度特征

将不同速度范围内诱发列车脱轨事故的不同因素进行比较，如表3所示，由于脱轨时速度范围在120 km/h以上的脱轨事故仅发生了两起，分别是4·28胶济铁路列车相撞重大事故与7·23温州动车追尾脱轨重大事故，这两起事故诱发脱轨因素单一，因此并未在表中表明.由表3可知，脱轨速度在40～80 km/h范围及80～120 km/h范围内列车脱轨诱因相对复杂多样，而脱轨速度在0～40 km/h范围内列车脱轨诱因相对较少，该速度范围内诱发脱轨的因素不包含胀轨跑道及轨道不平顺超限等，其原因是当列车以运行较低的速度通过轨道不平顺超限及胀轨地段，极少造成列车脱轨事故.山体滑坡导致列车脱轨事故发生的速度大多在40 km/h以上的范围内，其原因是当列车以较低的车速经过山体滑坡地段，列车司机通过瞭望路况，可以有足够时间对列车采取应急措施来避免列车脱轨事故的发生.因此，在研究列车胀轨跑道、轨道不平顺超限、山体滑坡等因素对列车运行安全性影响时，需要将列车运行速度设置在40 km/h以上.

表3 不同速度范围内累积脱轨车辆数

2.2 列车脱轨的线路类型特征

不同的线路类型具有不同的运行功能，因此可能造成不同的事故类型及后果，例如过岔超速引起的列车脱轨仅发生在岔线区.因此，需要对不同线路条件下列车脱轨因素进行细化研究，不同线路类型上列车脱轨因素影响如图2所示.由图2可知，发生在直线段脱轨的因素最多，其中由直线段山体滑坡、线路不平顺、胀轨跑道三种因素造成列车脱轨的累计脱轨车辆数较多.车站区脱轨诱因包含列车制动失效、溜逸、追尾等，其中列车制动失效造成的列车脱轨影响最大，其原因是列车在进站过程中，制动装置使用频繁，造成制动装置失效概率增大；而列车溜逸次之，造成列车溜逸的原因是列车进站停靠后，未启动制动装置，引发列车溜滑，撞击后方已停车辆最终造成脱轨事故.在曲线段主要由轨距加宽、曲线超速、山体滑坡三种因素造成列车脱轨，其中轨距加宽及曲线超速两种因素仅发生在曲线段，其原因是当列车进入曲线段后，钢轨在轮对反复横向冲击作用下引发轨道失稳，轨距加大导致轮对脱轨.另外为保证列车安全通过曲线段，在曲线设计过程中会根据曲线要素及通过速度设置合理的曲线超高，当列车超速通过曲线时，列车自身重力及所受摩擦力合力不能提供列车所需的向心力，因此列车发生离心运动诱发脱轨.而有诱发道岔区列车脱轨的主要因素为过岔超速、道岔结构失稳、人为破坏及道岔故障，其中超速过岔大多是由于信号故障、列车司机臆测等原因造成，道岔结构失稳通常是由于列车在过岔时轮轨产生较大的侧向冲击造成道岔结构失稳，诱发列车脱轨.

图2 不同线路类型上累积脱轨车辆数

2.3 车辆脱轨编组位置特征

调研不同脱轨事故发现，不同列车脱轨诱因所引起的车辆脱轨所在整体编组的机位数存在很大差异，然而机车车辆部门为限制铁路车辆脱轨后偏离轨道的程度，最大限度地减轻脱轨的后果，通常设计可安装在转向架上的限制装置，以倒L型限制装置及悬挂止挡为主，用来限制车辆在脱轨过程中的侧向位移，但是限制装置安装的位置及数量直接影响最终防护效果[19].为综合考虑防脱轨装置安装的安全性、经济性，需要对整个编组中列车脱轨车辆所处的位置特征与不同脱轨诱因之间的关联关系进行量化分析.不同事故诱因下车辆脱轨位置特征如图3所示，图3中利用车辆脱轨位置因数来表征脱轨车辆位于整个编组的位置，其中车辆位置系数为0则表示脱轨车辆位于编组头部，车辆脱轨位置系数为1则表示脱轨车辆位于编组尾部.通过数据统计获取车辆脱轨的位置系数，结合列车编组数目可以得出发生脱轨车辆具体编组位置，为进一步精细化加强车辆防脱轨措施提供指导.由图3可知，不同的脱轨诱因导致脱轨车辆所在编组位置特征存在很大差异，山体滑坡、追尾及人为因素导致列车脱轨位于第一位的机车脱轨概率最大，机后位次越靠车尾则脱轨的概率越低，因此应着重考虑通过防脱轨装置的设计与研发来降低前几位机车及车辆脱轨概率.而线路不平顺超限、曲线超速、轨距加宽等脱轨诱因，更易造成位于编组中间的车辆发生脱轨事故，这几项列车脱轨事故诱因需要结合改良轨道几何状态措施来降低列车脱轨概率.

图3 不同诱因车辆脱轨位置特征的关联性

3 列车脱轨事故预防策略

我国铁路养修部门在实践经验或研究成果中总结了一系列的防脱轨措施，例如，轨道几何检查和维护通常基于一些可测量的指标，其中轨道质量指数(Track Quality Index，TQI)，车载检测系统旨在识别并在车辆缺陷导致事故之前报警，但是这些技术和措施并不能百分之百地有效地防止列车脱轨事故的发生.综合考虑脱轨频率与脱轨车辆数，对不同列车脱轨诱因敏感性展开了分析，通过列车脱轨诱因敏感性分析，可以最大化实现预防列车脱轨措施的有效性.列车脱轨诱因敏感性分析是实现资源合理配置，以最经济有效的方式减少列车脱轨事故发生的关键，为进一步高效开展列车脱轨防控措施的研究指明了方向.各针对性的预防策略如下：

1)山体滑坡对列车脱轨概率敏感性最强，需要针对该诱因展开相应的防控措施，由于地形原因在多降水的情况下边坡容易发生扰动，进而出现山体滑坡，严重威胁列车运行安全，因此在降雨频繁地区的路堑及隧道口地段加设轨道中心副轨或者护轨等装置用以限制列车脱轨不偏离轨道.

2)溜逸及制动失效多发生在车站区，因此除了对列车加强制动装置的日常检修外，还应在车站区间设置针对性的溜逸及制动失效防护设施，以减少车站区内的脱轨事故.

3)轨距加宽多发生在曲线区段，建议养修过程中加强对曲线段轨距加宽病害的巡检，及时维修.

4)胀轨跑道引发列车脱轨的频率及危害程度较大，特别是无缝钢轨在南方高温条件下，会产生较大的温度力，容易造成钢轨失稳形成胀轨跑道，因此，铁路养修部门应在夏季加强对轨道稳定性的状态检查，避免胀轨跑道现象发生.

5)曲线超速造成的危害程度在众多脱轨诱因中排名前三，因此在列车经过曲线区段前要严格控制列车速度，使列车以合理的运行速度通过曲线，同时在曲线区段安装防脱轨装置.

6)机车车辆部门为限制铁路车辆脱轨后偏离轨道的程度，最大限度地减少脱轨的后果，而制定了一系列脱轨后限制措施，不同限制措施的制定应充分参考车辆脱轨位置特征来合理有效地安装相应限制装置，列车脱轨位置特征如图3所示，编组前5位车辆应加强设计车载限制装置，以降低列车脱轨后偏离轨道程度.

4 结论

1)山体滑坡、胀轨跑道、线路不平顺超限、制动失效、曲线超速等因素，综合危害程度较大，应加强开展列车脱轨事故诱发机理及防控措施的深化研究.

2)轨距加宽诱导脱轨多发生在曲线段，超速诱发脱轨多发生在道岔区及曲线段，溜逸及制动失效多发生在车站区，应结合列车服役的不同线路类型开展列车脱轨防控措施的研究.

3)研究胀轨跑道及轨道不平顺超限因素诱发列车脱轨机理时，设定列车试验速度应大于40 km/h.

4)山体滑坡引发列车脱轨敏感性较高，在降雨频繁、地质不良地区的路堑及隧道口地段应加设轨道中心副轨或者副轨等装置用以限制列车脱轨不偏离轨道，以最大限度地降低脱轨带来的危害.

5)由车辆脱轨编组位置特征可以看出前5位车辆脱轨概率较大，应在前5位车辆安装用以限制列车脱轨不偏离轨道的车载装置.

6)若实现列车脱轨事故预防策略进行系统化优化，还需要进一步积累完善脱轨案例(考虑市域铁路、城轨铁路)数据，后续我们将开展更为完善的脱轨事故预防策略优化研究.