0 引言
高速铁路结构分为有砟轨道和无砟轨道两大类。总体来看，两类结构形式均能满足高速铁路安全、舒适运行要求。无砟轨道结构耐久性好、稳定性强、几何平顺性和安全性高、维修工作量少，不会发生飞砟现象（冰雪线路除外），成为世界高速铁路轨道结构发展方向[1-2]。截至2015年7月，随着合福客运专线开通运营，我国高速铁路总里程已超过1.7万km，其中90%以上为无砟轨道结构，我国无砟轨道应用已从桥梁、隧道发展到土质路基和道岔区（包括引桥和联络线）。我国是无砟轨道集大成者，扩展了无砟轨道结构形式和应用内涵，完善了无砟轨道理论和结构体系。尽管我国高速铁路倾向于采用无砟轨道，但其应用和发展面临以下挑战：（1）无
砟轨道随着时间推移，会产生自然服役状态劣化问题；（2）无砟轨道结构、材料以及工务维修具有特殊性，破损修复困难；（3）无砟轨道在地震带、煤矿采空区适用性和经济性较差。另一方面，有砟轨道展示出诸多优点，是世界高速铁路轨道结构主要形式之一。法国、西班牙、意大利等高速铁路全部采用有砟结构。有砟轨道结构完全可用于高速铁路，更具有灵活性，易于养护维修、适用范围广、建造成本低，具有巨大的潜在发展价值[1]。
然而，解决高速有砟铁路飞砟（迁移）问题的重要性和紧迫性日趋严重。确切地说，飞砟就是在高速铁路列车动力和列车风空气动力作用下，道床表层道砟颗粒发生迁移、跳跃、飞离道床进而击打列车转向架、车轴、制动缸、钢轨踏面等现象[1-3]。道砟迁移指道砟颗粒位移和聚集，导致道床阻力不均匀，道床断面形式难于保持，增加飞砟发生几率。道砟迁移是道砟飞砟影响因素和前提过程，飞砟是道砟迁移恶化最终表现形式之一。
飞砟现象具有危害性大、分布广泛、复杂性高等特点，导致养护维修成本增加。对于严寒地区冰雪线路，由于高速列车车体积雪、融冰，在列车动力或者温度改变条件下（如跨越不同地区、穿越隧道、车站），积雪、融冰散落击打列车、道床，引起道床表面冰雪、道砟飞溅，进而击打车体及冰雪，发生连锁反应，致使列车采取限速措施。
基金项目：国家自然科学基金资助项目（U1234201）。
高速铁路飞砟与防治
宋佳宁：北京交通大学土木建筑工程学院，本科生，北京，100044
王昱珩老婆井国庆：北京交通大学土木建筑工程学院，副教授，博士研究生导师，北京，100044黄红梅：北京交通大学土木建筑工程学院，硕士研究生，北京，100044潘姿华：北京交通大学土木建筑工程学院，博士研究生，北京，100044韩 璐：上海铁路局合肥工务段，工程师，上海，230011
摘 要：飞砟（迁移）是高速铁路列车动力和列车风空气动力共同作用下产生的破坏性现象，严重制约高速有砟道床应用与发展。在介绍国外飞砟（迁移）研究与应用基础上，系统分析我国高速铁路飞砟研究与应用，以合福高铁巢湖东站区间为例，介绍有砟高速铁路飞砟防治综合拓展方法与措施，服务我国高速铁路有砟道床设计、运营与维修。
关键词：高速铁路；有砟道床；飞砟；防治
中图分类号：U213.7+22 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2015）09-0062-03
高速铁路飞砟与防治 宋佳宁 等
飞砟成因具有多样性和复杂性。一般认为，飞砟现象主要是由列车动力和空气动力耦合作用下产生的（见图1），主要因素包括列车动力、道床结构、车体结构、环境、运营条件等[3-4]。在列车动力作用下，道砟颗粒发生振动与离散化，继而在列车侧向涡流风压作用下，道砟颗粒发生飞砟，造成轨道、车辆损坏与散体道砟分布改变（影响道床阻力）[3-9]。
1 国外研究内容与措施
1.1 研究内容1.1.1 试验研究
国外主要采用试验研究，利用风洞试验或现场试验，测试高速铁路有砟道床动力特性及风动力学特性，重点是风压分布和道砟散体动力特性。如伯明翰大学Baker等及南安普顿大学Powrie等，前者依托风洞实验室及现场试验，进行高速列车道床上风压分布规律的研究，重点研究列车线型及有砟道床风压分布规律[5-10]；后者主要侧重于有砟道床振动力学特性分析（最高测试速度270 km/h），如道砟、轨枕加速度、速度及位移研究，以及道砟迁移及道床阻力变化，尝试揭示飞砟（迁移）机理及高速有砟道床动力学特性[9-10]。
西班牙铁路管理局（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，通过轨枕形状计算流体力学优化（CFD），开发空气动力学优化轨枕“Aerosleeper”，其应用试验表明，可降低风压分布达到30%以上[10]。ADIF研究表明，道砟颗粒密度越高，表层颗粒越不容易飞砟，因此建议采用高密度岩石母岩生产道砟[11]。1.1.2 理论研究
主要研究内容包括飞砟轨迹方程，评判飞砟危害性；依托随机过程理论，采用可靠度分析方法，进行飞砟风险评估。如Saussine等[12-13]采用随机过程可靠度理论，基于风险分析方法，研究了道砟散体、轨枕类型对
飞砟几率影响规律，对不同列车类型、车速等影响因素进行宏观可靠度分析。德国柏林工业大学Baebler [14]进行有砟道床振动力学特性分析，有助于服务高速铁路桥上道砟液化和飞砟防治工作。1.2 工程措施
（1）优化道床断面结构。在保持轨枕阻力前提下，降低砟肩堆高。如法国高铁降低枕中道砟高度来降低飞砟，采用平肩式砟肩结构。需要注意的是，上述措施会降低无缝线路稳定性，且容易引起捣固维修频率提高。各国应依据国情，如温轨道结构、运营条件等情况
来采取相应措施。
（2）密实、平顺道床。重视稳定作业，清扫轨枕及扣件道砟颗粒。法国通过采用清扫轨枕和扣件散落道砟方法，防控飞砟。
（3）优化轨枕结构及形状。如尝试采用弹性轨枕、空气动力学优化轨枕等降低道床动力和风动效应，效果良好。
守门员训练（4）加强巡视与检测。国际铁路联盟高速铁路养护维修手册建议由轨道工程师每两周进行一次有砟道床断面检查，防止飞砟现象发生[14]。
2 我国研究内容与防治
我国高速铁路过渡段及部分客运专线，如胶济铁路采用有砟道床结构。2.1 试验研究
中国铁道科学研究院郗录朝等[15]通过高速铁路桥上有砟道床飞砟测试研究，主要针对小颗粒、不同
密度道砟颗粒稳定性进行测试，并进行风压测试工作，结果表明在列车时速达350 km时，试验区段未发生道砟飞溅现象。井国庆等[16]在改进韩日风洞试验基础上，通过道砟颗粒风洞试验，测试不同形状、不同颗粒大小道砟的临界风速（高速摄像机）、迁移距离、道砟颗粒风压分布等。同时，利用CFD进行有砟道床断面结构空气动力学分析，研究断面结构、形状、尺寸对列车风压分布影响及规律；此外，刘春明等[17]在秦沈客运专线进行道砟胶初步应用研究。2.2 理论研究
（1）井国庆等[3，16，18]较系统开展飞砟探索研究，主要包括有砟道床静动力学特性和道砟风洞试验特性测
图1 飞砟机理与影响因素分析
列车动力
空气动力
道砟振动迁移
飞砟
风险评估结构优化
轨道结构 天气
高速铁路飞砟与防治 宋佳宁 等
试与数值研究。如根据飞砟受力特点，研究道砟颗粒起跳、运动轨迹方程，评判飞砟危害等；根据力学平衡法则，初步揭示轨枕-道砟-列车风相互作用力学特性与作用机理，提出飞砟力学平衡机理方程，研究参数敏感性及影响规律，指出低密度、扁平道砟颗粒容易飞砟，因此可在道砟材质选择上明确道砟密度，不使用低密度高强岩石材料（如凝灰岩）。采用随机过程概率密度法，定量研究高速铁路飞砟几率与可靠性。
（2）规范标准方面。我国高速铁路在设计和运营方面，颁布了《高速铁路设计规范》与《高速铁路有砟轨道线路维修规则（试行）》等。采用特级级配道砟（如减少表层小粒径道砟颗粒），提高道床密实度和道床阻力，明确水洗工艺与检测指标[19]。优化高速有砟道床断面，如随着列车速度提高降低线路中心道床高度及砟肩高度，规定300 km/h情况下，砟肩堆高由150 mm降为100 mm等[20]。
2.3 工程应用
以合福高铁巢湖东站区间为例，主要采取以下措施进行飞砟防治，有砟轨道线路道床应满足以下要求：（1）道砟质量要求。道砟必须使用特级道砟，级配符合要求，经过水洗，保持清洁。
（2）道床断面要求。砟肩宽度不小于0.5 m，砟肩与轨枕顶面平齐（无砟肩堆高），两线间道砟宜填平。道床边坡坡度1∶1.75。对于道床顶面，在轨枕中部：道床顶面低于轨枕顶面20 mm；轨枕轨底处：轨枕承轨面以下40～50 mm；道岔区：岔枕顶面以下40～50 mm；轨枕上表面不得遗留道砟。将道床表面直径小于30 mm 的道砟或厚度不足10 mm、直径小于40 mm的片状道砟捡拾、清除，将粗颗粒道砟置于道床表面。对道床进行全断面夯拍，保持密实、饱满状态。
通过以上措施，合福高铁在联调联试（最高速度328 km/h）和运营期间未发生飞砟现象。
3 结论与建议
对高速铁路飞砟问题进行系统阐述，重点论述我国高速铁路飞砟研究与应用进展。主要结论如下：（1）高速铁路有砟道床应基于散体振动力学和空气动力学进行协同分析。
（2）国内外试验表明，时速350 km情况下，高速铁路有砟道床路基地段一般不会发生飞砟现象，重点应采取措施避免道砟散落轨枕及扣件情况发生。
（3）应拓展延伸我国高速铁路飞砟防治研究与应用，如制定高速铁路有砟道床养护维修道砟级配标准，研发时速350 km轨枕；针对冰雪高速线路飞砟问题进行专题研究。
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（下转第69页）
铁路货车微控列车制动机试验系统 袁立福 等
可即时报送给列检人员，因而大幅缩短制动试验时间。
（4）试风作业记录信息具备可追溯性，记录整个闭环控制系统的试验过程和试验数据，便于试风作业信息的查询、打印和对比分析，为事故判定提供可靠的可追溯性依据。同时可以统一、规范列检人员的标准作业。
5 结束语
微控列车制动机试验系统的应用，实现了对现有设备的更新改造、升级换代，提升列检作业计防、物防水平，实现列检作业标准化、智能化、信息化、自动化的要求，解决了微控试验器列首风压与无线风压监测仪列尾风压之间的压差，强化了列检透明化作业管理的科技手段，提高了管理效果，避免了因列车制动试验不精确引发事故而造成的经济损失和人员伤亡，有效维护了铁路运输的安全、畅通、快捷。
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责任编辑 高红义
收稿日期 2015-05-29
（上接第64页）
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责任编辑 苑晓蒙
收稿日期 2015-06-03
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