高速铁路飞砟问题影响因素与研究进展

丁东，李杰，王辰永，井国庆

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.包头铁道职业技术学院 铁道工程系，内蒙古 包头 014060；3.中国铁路北京局 石家庄电力机务段，河北 石家庄 050000；4.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

有砟轨道作为一种重要的轨道结构，在世界各国高速铁路建设中得到了充分应用，法国、西班牙和意大利等国全部采用有砟轨道的型式，其中法国高速铁路(TGV)东部线、巴黎—里昂线、地中海线运营速度超过320 km/h，东部线试验速度574.8 km/h[1−2]。目前我国高速铁路建设处于世界领先水平，既有线改造和新建时速250 km/h的铁路主要采用了有砟轨道型式，如胶济、福厦、石太、银西等线路；300 km/h及以上的高速铁路也在部分地段采用有砟轨道，如在长大桥梁、过渡段、地下有采空区以及旧河湖等特殊地段。值得一提的是，2020年底开通的设计速度250 km/h的银西高铁是我国第一条以高速有砟轨道为主并预留进一步提速条件的长大干线高速铁路，建立了时速300 km/h速度级的新型轨道结构试验段。而飞砟问题是影响有砟轨道运营安全，限制列车速度提高的主要原因。飞砟问题是飞溅的道砟颗粒击打车身或钢轨轨头，从而引起瞬时或进一步损坏的现象[3]。飞砟一般可分为在负压作用下飞起、在空气湍流中飞行、与列车底部结构碰撞或与道床碰撞引起连锁反应等阶段，其复杂的演化过程和潜在的复杂性大大增加了研究难度[4]。从21世纪初到现在，世界各地的一些制造商、运营商和研究人员使用数值模拟、现场和实验室测试以及车载/轨旁测量等方法对飞砟现象进行研究[5−7]，主要目的是研究列车底部的空气动力学特性，模拟道砟的运动，并评估飞砟风险。本文旨在追溯飞砟问题研究历程，系统阐述飞砟问题主要影响因素和国内外研究进展，简要介绍飞砟风险评估规范和标准指南，为高速铁路有砟轨道问题的研究和防治提供借鉴。

1 影响因素

高速铁路有砟轨道飞砟现象可分为道砟迁移和道砟飞溅2个过程[4]，首先列车在运行条件、轨道条件、轨道振动和列车风载综合作用下，道砟脱离原位置，滚落在道床表面或轨枕表面，导致道砟颗粒之间咬合力大大降低，然后，在列车高速风载和振动作用下，极易发生道砟颗粒飞起击打列车底部和周边设施的现象。其中，容易激发飞砟问题的运行条件有冰雪、隧道、路桥过渡段等，影响飞砟现象的轨道条件包括：道砟粒径与级配、道床型式和轨枕结构等，而列车风载和轨道振动都与列车运行速度、列车结构和轨道结构等密切相关。本节基于现有的研究进展和方法对飞砟问题的几个重要影响因素从定量和定性方面进行阐述[4](见图1)。

图1 飞砟影响因素Fig.1 Ballast influence factors

1.1 运行速度

一般认为列车时速超过300 km/h后容易发生飞砟现象[8−9]，当列车速度达到250 km/h左右时道砟在列车运行引起的振动和列车风的共同作用下，可能会发生小距离的移动，极个别情况会发生道砟飞溅。京沪高速铁路济南黄河特大桥和石武客运专线郑州黄河特大桥的联调联试试验时，当动车组列车速度达到330～350 km/h时，曾发生过飞砟[1]。LAZARO等[10]进行了全尺寸试验测试发现，当列车速度超过260 km/h时，道砟颗粒从其静止位置发生振动进而产生移动的可能性急剧增加。韩国现场实测发现[11]，列车运行速度与轨道风速呈正相关，当列车运行速度为300 km/和350 km/h时，轨道上方风速分别约为25 m/s和30 m/s，同时，轨道中心风速最大，向两侧逐渐递减。郄录朝等[12]通过现场测试和CFD仿真发现，运行速度越高轨道表面风压越大，车头和车尾通过时，会出现明显的压力梯度，其中，当列车运行速度达350 km/h时，道床表面最大负压可达1 000 Pa左右。JING等[13]利用风洞试验测试了单体道砟颗粒的风动特性，研究表明立体状道砟临动速度与质量呈正相关，对于标准级配道砟临动速度范围在15～30 m/s之间，但试验未考虑道砟间咬合力的影响。

当列车运行至特殊路段，如路桥过渡段、桥梁、隧道；或遭遇极端天气，如大风天气、冰雪天气等，在时速250 km/h甚至更低情况下也会发生飞砟现象。美国联邦铁路管理局(FRA)调查发现，速度低于160 km/h时，相邻列车通过时会诱发飞砟[4]。但需要指出的是，列车高速运行并不一定会引起飞砟问题，通过采取一定措施是完全可以避免的。比如，法国在2007 年TGV V-150 成功实现世界速度记录(574.8 km/h)的测试运行期间，没有观察到或记录到道砟飞溅。

1.2 列车结构

根据AOA项目 (Aerodynamics in Open Air)的调研发现[14]，在法国高速铁路上，德国ICE3型列车产生了道砟飞溅现象，而法国列车没有发生飞砟。这主要是因为法国列车车体之间密封更为严密，空气涡流动力较小，而高速列车底部周围高湍流度空气涡流是形成飞砟问题的直接原因，道砟颗粒受高速运行列车振动的影响，易于在空气涡流作用下产生迁移和飞溅现象。传统的普速客运列车在底部安装了空调和水箱，而忽略了空气动力学效应。随着高速列车的出现，列车的空气动力学特性变得越来越重要。因此，列车底部结构必须保证平滑无大凸起，以尽量减少湍流的影响。同时，列车头部鼻锥下方应设置导流板，转向架和其他部位应装配全封闭底罩，以优化列车底部环境，降低飞砟概率[9]。另外，西班牙和意大利研究表明，列车长度对道砟颗粒的初始位移也起着主要作用[15]。

1.3 道床结构

道床结构是影响飞砟的重要因素之一，因此可以作为解决问题的出发点。国内外大量试验与工程实践证明砟肩堆高对道床空气动力学特性造成不利影响，会引起道砟颗粒迁移，进而诱发飞砟问题。对于高速铁路来说，砟肩堆高越高，则越靠近列车底部，更易受到列车风影响，在一定程度上会增加飞砟概率；但是若降低砟肩堆高则会降低道床横向阻力，因此需要协同研究两者关系。法国和意大利研究表明道床顶面位置是影响飞砟的一个重要因素，采用了降低道床顶面位置2～3 cm的缓解措施[16]。

近年来轨枕设计也成为降低横向阻力、延缓道床劣化和防治飞砟的主要方法。西班牙采用的空气动力学轨枕[17]具有顶部表面与侧面过渡平缓、圆顺且无棱角的结构特征，轨枕顶面不易停留道砟颗粒，同时，从空气动力学角度有效降低了轨枕槽的台阶空腔绕流效应，从而预防了飞砟问题。聚氨酯固化道床也逐渐成为一种防治飞砟的新型高速轨道工程技术[3]，基于飞砟发生的区域和养护维修的考虑，现主要有2种方案：局部固化和表层固化。局部固化方案是在道床中心、砟肩等飞砟发生概率大的区域，按照一定的深度进行喷涂。表层固化方案，指的是采用黏结强度低的聚氨酯喷涂半个道砟粒径左右，达到喷涂后既防飞砟又不影响捣固作业的效果。

1.4 道砟粒径与形状

高速铁路需要使用最优质的道砟材料。世界上大多数高铁运营商都要求使用的道砟满足严格的等级规范。JING等[18]基于道砟颗粒受力建立的飞砟机理模型明晰指出低密度、扁平道砟、小质量颗粒更容易飞砟。KWON等[19]研究了高速铁路飞砟概率与道砟形状、质量间的相互关系，结果表明质量与表面积之比越大，发生飞砟的概率越高。

我国现行铁路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%，需要特别指出的是，我国现行道砟材质标准中针片状指数总值40%，也是合格的[1]。这一指标超过了基本上所有其他国家针片状指标，在材质和资源一定情况下，可以考虑提高标准，延长道床维修周期和防治飞砟。

1.5 轨道振动

由列车运行通过引起的地面运动效应或道床振动本身不会引发道砟颗粒的运动。然而，当与空气动力学效应相结合时，它可能是飞砟的一个促成因素。KRYLOV[20]提出了列车“临界速度”的概念，即列车的运行速度与瑞利波(一种沿固体表面传播的表面声波)的速度相匹配时的速度。KRYLOV分析了不同速度的列车在不同类型的土壤上行驶的影响。例如，柔软的沙质土壤的瑞利波速度在90～130 m/s之间，对于以300 km/h(83 m/s)的速度行驶的列车，会发生显著的地面振动，地面响应会与来自列车的输入振动产生共振。据观察，当列车速度不断提高时，路基与轨道的位移幅度也会随之增加，当列车达到或超过临界速度时，列车通过产生的输入波与瑞利波发生共振，容易引发有砟道床流化现象，极大增加飞砟概率。LUO等[21]研究发现，在某些载荷条件下，轨道表面的道砟颗粒将变得失重，这意味着施加在道砟颗粒上的反作用力将非常大，足以克服重力。因此，道床振动加速度与飞砟概率呈正相关，通过降低振动加速度可以有效缓解或避免飞砟现象的发生。

2 研究现状

2.1 研究项目

2005年，德国联邦铁路公司(DB)和法国国营铁路公司(SNCF)启动了一个关于列车明线空气动力学的研究项目，名为AOA项目(Aerodynamics in Open Air)[8,14]。AOA联盟机构包括列车制造商、意大利基础设施管理公司、线路运营商和英国铁路安全标准机构等。AOA项目的目标是进一步研究飞砟问题，并解决铁路侧风安全问题，该项目一直持续到2008年10月，在此期间，研究了飞砟发生机理与动态过程，包括负压导致道砟颗粒移动飞起，以及道砟与列车和有砟道床的动态撞击过程。

2009年6 月，在欧盟处理铁路互联互通技术框架方案的呼吁下，启动了3个合称为TrioTRAIN的铁路项目。这3个相关的项目包括：高速列车空气动力学(AeroTRAIN项目)，车辆-轨道动力学(Dyn‐oTRAIN项目)，受电弓和接触网相互作用(Panto‐TRAIN)。其中，AeroTRAIN项目[22]中的一个重要研究领域就是飞砟问题，研究内容包括：1) 评估气动载荷与飞砟风险的关系；2) 测量不同型号列车在轨道上引起的空气动力载荷；3) 开发测量和后处理程序，捕捉飞砟问题的基本参数；4) 测量标准轨道的空气动力学特性；5) 提出欧盟铁路互联互通技术规范(TSI)飞砟标准的框架。

2.2 研究历程

对于飞砟问题的关注兴起于21世纪初，随着高速铁路的发展和列车提速，飞砟现象广泛出现在高速铁路有砟轨道上，欧盟主要有砟轨道国家不断摸索，在多个科研项目的推动下，陆续开展对飞砟问题机理研究；同时，一些飞砟缓解措施也在工程实践中开始应用。本节系统梳理有砟轨道国家的飞砟研究历程和进展。

1) 法国

2003年和2004年，ICE3型列车在法国测试运营期间出现了非常严重的飞砟问题，列车和轨道受到了不同程度的损坏，其严重程度是在其他TGV线路上(甚至更高运营速度)从未见过的。随后，法国和德国的工作人员根据这个现象，展开了一系列的研究工作，最终发现列车底部结构不平缓引起的涡流是导致飞砟问题的主要原因，随后，对ICE3型列车的底部结构进行了改进优化。2005年，在列车运行期间，利用风速测量设备和视频监控设备等对轨道表面的风场环境和飞砟破坏情况进行检查，发现飞砟频率和强度大大降低[16]。由于受飞砟现象的影响，自2004年以来，法国SNCF对所有新运营的高速列车或速度超过320 km/h的列车，进行一些特定监测，包括振动加速度、麦克风记录道砟撞击数、视频监控和列车风速测量等。

同时还需值得注意的是，冬季线路冰雪积聚与脱落，引起的飞砟问题经常出现，因此，法国SNCF建立了天气预报、冰雪飞溅警报和限速运营管理系统[23]。如图2所示，控制中心根据天气预报向列车发布指令，将不同速度下的运行分为：正常运行、谨慎运行和不可运行3种类型。例如，在2013年3月12日11时降雪量很大，列车需要降速到170 km/h，随着天气条件改善和线路除雪作业，14时列车恢复320 km/h的谨慎运行状态。

图2 法国天气预报与列车限速方案[23]Fig.2 French train speed limit plan based on weather forecast[23]

2) 西班牙

西班牙对于飞砟问题的关注开始于2005年，发展部向议会提交的报告中，阐述了马德里—巴塞罗那高速线马德里—莱伊达段，当列车以超过300 km/h运行时，会出现道砟由于负压作用被吸起、移动甚至碰撞列车的现象[23]。随后，马德里大学和西班牙铁路设施管理公司(ADIF)展开飞砟现象的研究和评估工作，2008～2010年进行了初步研究，随后是AeroTRAIN项目(2010～2012年)，然后是Aurigidas项目(2012～2014年)。在上述研究项目的支持下，通过对道床表面风压荷载和道砟响应研究分析预测飞砟风险。西班牙铁路设施管理公司(ADIF)研究发现，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“Aerosleeper”，如图3所示，优化轨枕已安装在马德里—巴塞罗那高速铁路部分线路段上，与常规轨枕道床相比，安装优化轨枕的轨道所受到的风压降低21%[17]，该解决方案仍在开发中。另外，研究发现道砟颗粒密度的增加会有效降低表层道砟颗粒的飞溅概率，因此西班牙开展了高密度道砟的研发工作[3]。通过多个项目的积累，西班牙铁路设施管理公司进行了飞砟问题规范定义与发展的研究，现正在编写一份关于飞砟问题的国家指南。

图3 空气动力学防飞砟轨枕[17]Fig.3 Aerosleeper to control ballast pick-up phenomena[17]

3) 意大利

2004 年，意大利ETR 500 列车在当时新建的罗马—那不勒斯高速线上首次运行期间，发生了道砟飞溅现象。根据调查发现，线路采用整体式轨枕，道砟与轨枕顶面平齐，大量道砟颗粒散落在轨枕上侧。另外，在都灵—米兰路线上，ETR 500列车以300 km/h的速度运行时也曾出现过飞砟问题[4]。

因此，意大利提出了降低道砟顶面高度2～3 cm的措施，如图4所示，同时注重道床表面的清洁，取得了良好的效果；但降低道砟层厚度会降低道床横向约束力，进而增加振捣次数。采用相应的措施后，意大利铁路并未出现进一步的飞砟问题，但随着高速铁路发展，对于运行速度超过300 km/h的ETR 1000列车和相应高速线路的轨道配置都提出了更高的要求，意大利正在开展相关的研究。

图4 降低道砟顶面高度[4]Fig.4 Lowered ballast profile[4]

3 标准前沿

基于飞砟问题的研究项目和研究进展，部分国家和组织也在标准制定中聚焦飞砟问题，如提出评估飞砟风险的测试方法或发布飞砟标准研究指南，致力于飞砟评估和防治标准化，本节对相关标准和技术指南进行梳理，并与我国标准进行对比，以提供标准设计的新思路。

3.1 飞砟测试标准(EN 14067-7:2021和SAMX012)

3.1.1 标准进展

EN 14067-4“铁路应用-空气动力学-明线铁路空气动力学的要求和测试程序”是评估列车空气动力学特性的主要欧洲标准[24]。2013年，根据Aer‐oTRAIN项目的结果，将一种通用的空气动力学测试方法作为附件引入欧盟标准，其目的是制定统一、可实施的程序和方法，以统计更广泛的欧洲列车空气动力学数据，进而能够在今后修订标准时考虑不同国家的经验和要求。这种方法的评估重点是高速列车，并未提出对轨道基础设施的评估方法。法国国家铁路安全局(EPSF)于2015年发布了规范SAMX012：道砟飞溅(Envols de ballast)[25]，该规范描述了评估高速列车飞砟概率的方法。具体来说，该规范是对轨道进行全尺寸的风速测量，根据测试数据计算出由列车高速运行导致的飞砟风险参数 PCEB(Paramètre caractéristique du envol de ballast)，以此衡量飞砟风险。EN 14067-7“铁路应用—空气动力学—列车引起飞砟问题的研究要求和试验程序”，旨在对EN 14067标准进行补充，于2021年4月发布了标准最新补充文件：EN 14067-7:2021，标准借鉴了法国标准的方法，明确了轨道空气动力学特性测试和飞砟概率计算程序[16]。

3.1.2 测试程序

规范EN 14067-7:2021规定了时速250 km/h以上列车经过时，轨道上的空气速度的测量程序[16]。法国SAMX012规范与欧盟EN 14067-7现场试验布置如下，其中，法国有砟轨道空气动力测试系统由6个空气速度传感器(皮托管)组成，2个位于轨道中心位置，4个位于钢轨内侧175 mm处；而欧盟规范要求布置3个空气速度传感器，分别位于轨道中心、以及中心两侧200 mm处，如图5所示。测试要求使用尽可能长的列车配置进行，对于非对称列车组合，应在2个运行方向上进行测试。测试要求至少采集20组独立且可比较的试验数据，参考速度是列车的最高速度，但最高限制为320 km/h。

图5 飞砟测试配置[16, 25]Fig.5 Test configuration for train-induced ballast projection[16, 25]

3.1.3 飞砟概率计算

根据现场轨道风速测量数据，可计算给定时间间隔内所有皮托管信号能量的平均分布，即全局功率PT：

其中：N是皮托管的数量；v(t)是空气流量；t1和t2代表火车通过的时间间隔。然后可以计算某型号列车全局信号功率PT的平均值μtrain和标准偏差σtrain，求和可得到评估飞砟风险的参数PCEB：

规范中根据工程经验，给定了运行速度250 km/h和参考速度320 km/h的飞砟参数PCEB的阈值为9 200 m2/s2。

3.2 欧盟铁路互联互通技术(TSI)规范

欧盟铁路互联互通技术(TSI)规范并未发布飞砟评估标准，但在多个研究指南中对飞砟问题进行了展望，指出目前的技术水平还不能够规定统一的要求或评估方法，TSI允许采用不同国家规则。但需要考虑飞砟发生的情况和相应的安全影响，目标是制定适用于全欧盟的经济有效的方法[26]。

基础设施互联互通技术规范：INF TSI是对最高速度大于或等于200 km/h的线路的铁路基础设施的技术标准。在2019年5月实施的欧盟实施细则(EU)2019/776(修订)中，补充了3条对有砟轨道空气动力学影响的研究指南：

1) 机车车辆与基础设施之间的空气动力相互作用会引起道床上道砟颗粒移动甚至飞起，应考虑减少这种风险。

2) 应对运行速度250 km/h以上的线路评估飞砟风险。

3) 飞砟机理仍不明确，缺乏系统深入的研究。

3.3 我国技术标准

我国并没有专门针对飞砟问题的技术标准，但从列车空气动力学和轨道结构优化等方面，出台了相应的规定，对缓解飞砟问题起到了重要的作用。

《高速列车空气动力学性能计算和试验鉴定暂行规定》[27]基于列车动力学性能和声学要求对时速200～350 km/h的列车外形进行了规定。要求：列车头部鼻锥下方应设置导流板；车体底部应设置全封闭底罩；不同截面车体混编时，应设置平滑过渡段；列车外形设计时应考虑避免在车头、车头底部和车辆连接处等处产生涡流。该规定通过优化列车结构，改善列车底部和轨道表面的流场特性，可以达到减少飞砟风险的目的。

《高速铁路有砟轨道线路维修规则》(TG/GW 116—2013)[28]规定时速250 km/h以上高速铁路有砟轨道砟肩应采用尖肩式且砟肩堆高为100 mm，较时速200 km/h的线路降低砟肩堆高50 mm；同时要求道床顶面位置在轨底处应低于轨枕承轨面40～50 mm，在道岔区应低于岔枕顶面以下40～50 mm。该规则通过降低砟肩堆高以优化轨道空气动力学特性，通过降低道床顶面位置以限制道砟在负压作用下移动和飞溅。

查阅国内外规范[19−31]，将道床断面尺寸要求整理如表1所示，世界各国都根据列车运行速度对道床结构进行了相应的要求。由于高速铁路对轨道弹性和稳定性的严格要求，时速250 km/h以上的线路在道床厚度、砟肩宽度和顶面宽度等指标上有了不同程度的提高。然而为优化砟肩处流场特性，减低飞砟风险，中国率先将降低砟肩堆高和道床顶面位置的措施在维修规则中体现出来。

表1 各国高速铁路道床尺寸要求[29−31]Table 1 Track bed geometry requirements of high-speed railways in different countries[29−31] cm

4 结论与建议

1) 目前对于有砟道床散体动力学特性与气动优化协同的研究不足，飞砟安全性和道床稳定性的矛盾尚未解决，需要进一步协同研究；解决好列车与轨道之间的相互关系，优化列车和轨道结构，是预防飞砟问题的关键。

2) 欧盟标准和铁路互联互通技术规范发布了评估飞砟风险的规范和相关技术指南，致力于评估飞砟风险和指导研究方向，但世界各国高速铁路飞砟问题评估与运维仍落后于建设发展的需求，需要进一步建立完善的标准体系。

3) 我国并没有专门针对飞砟问题的技术标准，但从列车空气动力学优化和轨道结构优化等方面，出台了相应的技术要求，率先在时速250 km/h的高速线路暂行规则中明确采用降低砟肩堆高和道床顶部位置的方法，对缓解飞砟问题起到了重要作用。