高速鐵路飛砟防治探討

井國(guó)慶，杜文博，付琪璋

高速鐵路飛砟防治探討

井國(guó)慶1，杜文博1，付琪璋2

(1. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

飛砟現(xiàn)象嚴(yán)重制約高速鐵路有砟道床的應(yīng)用與發(fā)展，需要采取綜合措施進(jìn)行防治。從道床斷面形式、軌道結(jié)構(gòu)、施工質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)維修等方面介紹飛砟防治措施；以飛砟單體顆粒力學(xué)模型為切入點(diǎn)，結(jié)合道砟單體力學(xué)特性和材質(zhì)特征，分析道砟密度、針片狀指數(shù)、粒徑和級(jí)配對(duì)飛砟的影響，拓展我國(guó)高速鐵路飛砟防治綜合方法與措施。研究結(jié)果表明：通過(guò)優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)、重視養(yǎng)護(hù)維修等措施可降低飛砟；通過(guò)優(yōu)化粒徑分布，降低針片狀含量和提高道砟密度可減少飛砟幾率；道砟標(biāo)準(zhǔn)與飛砟防治密切相關(guān)，宜對(duì)特級(jí)道砟標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步明確密度、針片狀含量、對(duì)粒徑和級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化。本研究可作為有砟道床飛砟防治和安全運(yùn)營(yíng)參考，初步構(gòu)建我國(guó)高速鐵路防飛砟技術(shù)體系。

高速鐵路；有砟道床；飛砟

有砟道床是傳統(tǒng)的道床形式之一，完全可用于高速鐵路甚至速度超過(guò)350 km/h的超高速鐵路[1]。歐洲高速鐵路主要采用有砟結(jié)構(gòu)，其中法國(guó)最高運(yùn)營(yíng)速度為320 km/h，最高測(cè)試速度574.8 km/h，并進(jìn)行了360 km/h相關(guān)測(cè)試；德國(guó)通過(guò)有砟道床實(shí)現(xiàn)最高速度超過(guò)310 km/h；俄羅斯莫喀高鐵設(shè)計(jì)時(shí)速400 km/h；英國(guó)HS2運(yùn)營(yíng)速度360 km/h。同時(shí)，有砟軌道結(jié)構(gòu)以其突出的優(yōu)點(diǎn)日益受到世界各國(guó)的重視與廣泛應(yīng)用，包括非洲第一條高鐵—摩洛哥高鐵、土耳其高鐵等。隨著高速鐵路不斷向高速化、重型化發(fā)展，運(yùn)營(yíng)安全成為研究要點(diǎn)，影響高速鐵路有砟軌道安全性的3個(gè)突出問(wèn)題為道床劣化、流化及飛砟[1]。針對(duì)道床劣化和流化，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外取得若干成果，如，采用新型軌枕墊板，增加軌枕和道砟接觸面積；采用瀝青底砟結(jié)構(gòu)、土工格柵等[1?2]。在上述2個(gè)問(wèn)題得到減緩的同時(shí)，飛砟問(wèn)題的重要性和緊迫性日趨嚴(yán)重[3?6]。如，意大利ETR500在從羅馬至那不勒斯，以300?km/h試運(yùn)行期間發(fā)生飛砟現(xiàn)象。飛砟現(xiàn)象表現(xiàn)為道砟在道床振動(dòng)和列車風(fēng)共同作用下離開道床表面，擊打車體、遺留在鋼軌表面，從而在列車運(yùn)行時(shí)引起鋼軌和車體損傷，并對(duì)行車安全產(chǎn)生影響，主要影響因素為：車速，道床斷面，道砟粒徑、級(jí)配、密度，軌枕的形狀和布置等[4]。需要指出的是，在嚴(yán)寒地區(qū)，速度較低的列車也會(huì)因?yàn)楸┑脑虺霈F(xiàn)飛砟[5]。目前主要采用風(fēng)洞試驗(yàn)和流體力學(xué)模擬進(jìn)行研究，但飛砟發(fā)生的機(jī)理尚不清楚，防治措施不足以應(yīng)對(duì)列車提速和復(fù)雜運(yùn)營(yíng)環(huán)境，仍需進(jìn)行研究[4]。飛砟現(xiàn)象分布范圍廣、危害大，隨著列車速度的不斷提高，將會(huì)更加嚴(yán)重[1, 5]；飛砟現(xiàn)象制約有砟軌道的發(fā)展，給運(yùn)營(yíng)管理部門帶來(lái)困難。針對(duì)飛砟防治，應(yīng)以軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主，其他措施為輔，從道砟材質(zhì)、道床斷面形式、施工質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)維修方面進(jìn)行綜合考慮。本文針對(duì)飛砟問(wèn)題先從軌道結(jié)構(gòu)、養(yǎng)護(hù)、監(jiān)測(cè)等方面提出相應(yīng)措施，之后根據(jù)單個(gè)道砟受力特征和道砟材質(zhì)，進(jìn)行飛砟防治措施探討。

1 飛砟防治措施

1.1 軌道結(jié)構(gòu)方面

軌枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化。如圖1所示，西班牙鐵路管理局(ADIF)，根據(jù)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，開發(fā)空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化軌枕。該軌枕頂部與側(cè)面緩和過(guò)渡，沒(méi)有棱角，軌枕中部圓潤(rùn)凸起流線化，道砟不易散落在軌枕上，可降低50%的飛砟概率[7]。道床振動(dòng)加速度也是影響飛砟的重要因素，隨著列車速度的增加，振動(dòng)加速度增大，道砟越容易飛濺，危害性越大[7]。如圖2所示為枕下墊結(jié)構(gòu)，即在軌枕底部設(shè)置一彈性墊板，由法國(guó)在1989年率先獲得專利。采用該軌枕后，從整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)看，上部荷載傳遞給軌枕的能量增加，軌枕振動(dòng)加速度增大，而使道床的振動(dòng)加速度減小，從而減少飛砟[2]。

圖2 枕下墊結(jié)構(gòu)

優(yōu)化有砟道床斷面。研究表明，道床表面至軌道頂面距離越遠(yuǎn)，道床表面風(fēng)壓分布越?。煌瑫r(shí)，砟肩堆高對(duì)風(fēng)壓分布也存在影響[3]。因此，在滿足道床所需縱、橫向阻力條件下，可采取降低道床頂面高度和砟肩堆高的方法防治飛砟，圖3所示為道床頂面與軌枕表面高差示意圖。日本、意大利、法國(guó)通過(guò)降低軌枕盒內(nèi)道砟高度降低飛砟；我國(guó)《高建鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則》中規(guī)定，當(dāng)車速為250～300 km/h時(shí)，砟肩堆高由150 mm減少至100 mm，并降低軌底處道床頂面高度[4, 8]。此外，法國(guó)還采用平肩式砟肩結(jié)構(gòu)(或5 cm堆高)降低飛砟風(fēng)險(xiǎn)[9]。

圖3 道床頂面與軌枕表面高差

使用聚氨酯道砟膠。井國(guó)慶等[10]為防治飛砟將道砟膠噴涂在道床表面下部60 mm范圍內(nèi)，由于噴涂深度不深不影響搗固，在風(fēng)速30 m/s(相當(dāng)于350 km/h列車產(chǎn)生的風(fēng)速)下，道砟不產(chǎn)生位移，同時(shí)橫向阻力增加17%。鐵科院在濟(jì)青高鐵進(jìn)行道砟膠試驗(yàn)，最高速度達(dá)385 km/h，未見(jiàn)飛砟現(xiàn)象，同時(shí)，我國(guó)的魯南高鐵有砟段為350 km/h，也采用聚氨酯固化技術(shù)。

1.2 養(yǎng)護(hù)維修方面

基于養(yǎng)護(hù)維修的飛砟防治。運(yùn)營(yíng)中的線路往往在軌枕及扣件上存在遺留的道砟顆粒，這些道砟在風(fēng)荷載及道床振動(dòng)下極易產(chǎn)生飛砟，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清掃[1, 11]。有砟道床壓實(shí)度是道床質(zhì)量一個(gè)重要指標(biāo)，在建造和養(yǎng)護(hù)維修過(guò)程中應(yīng)重視穩(wěn)定作業(yè)，增強(qiáng)道砟顆粒咬合力，如法國(guó)有砟道床采取2搗3穩(wěn)的作業(yè)方式，可提高道床密實(shí)性，甚至有如圖4所示壓實(shí)作業(yè)車能提供道床的夯實(shí)作業(yè)[12]。

加強(qiáng)巡視與檢測(cè)。國(guó)際鐵路聯(lián)盟高速鐵路養(yǎng)護(hù)維修手冊(cè)建議由軌道工程師每2周進(jìn)行一次有砟道床斷面檢查，保證道床斷面的平順，防止飛砟現(xiàn)象發(fā)生[1]。國(guó)外在有砟道床斷面數(shù)字化檢測(cè)方面也研發(fā)了相應(yīng)設(shè)備，圖5所示為有砟道床表面掃描系 統(tǒng)[13]，防止道床斷面出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象，如：道砟聚集成堆、部分地段道砟缺失等。

(a) 軌枕盒壓實(shí)；(b) 砟肩壓實(shí)

圖5 有砟道床掃描系統(tǒng)

1.3 道砟顆粒方面

除上述措施外，碎石道砟材質(zhì)也是影響飛砟的重要因素之一，從碎石道砟材質(zhì)選型入手在工程上更容易實(shí)現(xiàn)，具有較好可靠性和經(jīng)濟(jì)性。本文從道砟單體力學(xué)特性和材質(zhì)方面入手，考慮道砟密度，針片狀指數(shù)、粒徑和級(jí)配等對(duì)飛砟的影響。

如圖6所示為單個(gè)道砟的受力示意圖，位于道床上的道砟在豎直方向上主要受重力(為道砟質(zhì)量，為重力加速度)，顆粒間咬合力F，荷載F(吸力)以及列車通過(guò)時(shí)因振動(dòng)加速度導(dǎo)致的力F。井國(guó)慶等[7, 14]基于力學(xué)原理研究了圖6所示單體道砟的受力機(jī)理，根據(jù)研究結(jié)果，道砟密度越大越有利于防治飛砟，與ADIF研究結(jié)果相同。因此，建議采用高密度巖石母巖生產(chǎn)道砟，限制低密度道砟應(yīng)用(如凝灰?guī)r密度只有2.0～2.5 g/cm3)，尤其在道床表面。

圖6 道砟受力分析

圖7 針片狀道砟

研究證明，道砟顆粒形狀對(duì)道床穩(wěn)定性和維修周期具有重要影響[15]，道砟顆粒越接近于立方體、破碎面越多，越有利于提高道床穩(wěn)定性和延長(zhǎng)道床壽命。各國(guó)限定道砟顆粒形狀，尤其是不良道砟顆粒含量。如圖7所示為針片狀道砟，我國(guó)特級(jí)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%[16]，而歐盟高速鐵路所用道砟針狀系數(shù)不超過(guò)15，片狀系數(shù)不超過(guò)10[17]。同一國(guó)家隨著技術(shù)進(jìn)步和鐵路等級(jí)提高，指數(shù)限值也在變化，如早期規(guī)范TB/T2140—1990規(guī)定為50%。道砟顆粒形狀對(duì)飛砟有重要影響，需要根據(jù)飛砟防治來(lái)控制道砟針片狀指數(shù)。如圖8所示為Kwon等[15, 18]對(duì)單體道砟力學(xué)性能的風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)研究，根據(jù)相關(guān)風(fēng)洞試 驗(yàn)，針片狀，尤其是片狀道砟更易飛砟，且針狀道砟在列車荷載作用下更容易破碎成為小粒徑道砟，也易飛砟。可根據(jù)我國(guó)合福高鐵巢湖段飛砟防治措施，將道床表面直徑小于3 cm的道砟或厚度不足1 cm，小于4 cm片狀道砟撿拾、清除[19]。

圖8 有砟道床風(fēng)洞試驗(yàn)

優(yōu)化道砟粒徑與級(jí)配也可控制飛砟。根據(jù)相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)[15, 18]，小粒徑道砟更易飛砟。以俄羅斯規(guī)范為例，俄羅斯B類道砟最大粒徑80 mm，我國(guó)則為63 mm；俄羅斯B類道砟在22.4～31.5 mm粒徑范圍內(nèi)顆粒低于我國(guó)，而在40～63 mm粒徑范圍內(nèi)顆粒含量大于我國(guó)，由此可以看出俄羅斯粒徑范圍更寬，平均粒徑、最大粒徑更大，在高速鐵路運(yùn)營(yíng)中不容易飛砟[20]。需要注意的是，大粒徑道砟不容易壓實(shí)和搗固，尤其是搗固鎬難于插入，擊打道砟顆粒。根據(jù)上述綜合考慮，可將道砟粒徑范圍設(shè)為3～7 cm，并適當(dāng)提高中間部分粒徑范圍和含量。

2 結(jié)論與建議

1) 可通過(guò)道床斷面優(yōu)化、軌枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化、使用聚氨酯道砟膠降低飛砟幾率。

2) 可通過(guò)清掃散落軌枕上表面道砟、加強(qiáng)道床密實(shí)度等方法降低飛砟幾率。

3) 提高道砟密度、嚴(yán)控針片狀道砟含量、優(yōu)化粒徑和級(jí)配，有利于降低飛砟幾率。

4) 道砟標(biāo)準(zhǔn)與飛砟防治密切相關(guān)，應(yīng)對(duì)特級(jí)道砟標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步明確道砟密度、針片狀含量并對(duì)粒徑和級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化。

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Ballast flight prevention measures of high-speed railway

JING Guoqing1, DU Wenbo1, FU Qizhang2

(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;2. China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Ballast flight sets back the high-speed ballasted track application and development, and comprehensive measures should be taken in practice. The paper emphasized that the ballast flight prevention should be systematically investigated including ballast profile, track structure, construction quality and maintenance etc. Furthermore, taking ballast flight individual particle force model as the starting point, based on ballast individual particle force properties and material characteristics, the effect of ballast density, ballast size and particle size grading, ballast flat and elongated index on ballast flight are analyzed. Based on results, measures such as optimizing track structure and paying attention to maintenance can reduce ballast flight. By optimizing particle size distribution, reducing flat and elongated particles and increasing ballast density, ballast flight risk can be reduced. The results indicate that railway ballast standards directly influence ballast flight prevention, and ballast size, particle size grading, density, flat and elongated particles should be further specified during super ballast standards. This study can be used as a reference for the ballast flight prevention and safe operation of ballast bed, and the preliminary construction of Chinese high-speed railway ballast flight prevention system.

high speed railway; ballast bed; ballast flight

U213.7+22

A

1672 ? 7029(2020)10 ? 2445 ? 05

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200099

2020?02?13

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金資助項(xiàng)目(2018YJ043)

井國(guó)慶(1979?)，男，河北廊坊人，副教授，博士，從事軌道結(jié)構(gòu)及軌道力學(xué)研究；E?mail：gqjing@bjtu.edu.cn

(編輯 陽(yáng)麗霞)