基于軌枕結構的高速鐵路飛砟防治措施探討

井國慶 杜文博 付琪璋

1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044；2.中國鐵路設計集團有限公司，天津300142；3.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043

傳統的軌道結構形式主要包括有砟軌道和無砟軌道，均適用于高速鐵路［1］。其中，有砟軌道因其造價低、靈活性高、維修方便得到廣泛使用。法國高速鐵路大部分采用有砟道床，最高運營速度已達320 km∕h，東部線最高測試速度達574.8 km∕h；英國HS2（High Speed 2）運營速度360 km∕h；德國也通過有砟道床實現最高速度超過310 km∕h。同時，非洲第一條高速鐵路以及摩洛哥、土耳其等也開始應用有砟道床［2］。

有砟道床最嚴重的問題是道砟飛濺（飛砟）。飛砟現象分布廣泛，危害大，直接影響有砟道床的發展［3-4］。我國的秦沈（秦皇島—沈陽）客運專線曾在試車時發生飛砟現象；意大利的羅馬—那不勒斯高速鐵路也發生過飛砟現象。飛砟機理如圖1所示。其中，綠色箭頭表示道砟加速度方向，紅色箭頭表示軌枕振動。列車運行時，在列車風荷載和道床振動的共同作用下，道砟擊打車體，遺留在鋼軌表面，對車體、鋼軌產生損傷，嚴重時甚至危及乘客安全，增加養護維修成本，給運營管理帶來困難［1］。在嚴寒地區，速度較低的列車也會因為冰雪而出現飛砟現象［4-5］。飛砟主要受道砟粒徑、密度、級配及列車車速、軌枕的形狀和分布方式、道床斷面形式等因素影響［6］。目前對飛砟現象的研究方法主要包括現場試驗、風洞試驗及流體力學模擬，但針對飛砟的防治措施不足以應對列車提速和復雜運營環境的要求，還須進一步研究。

圖1 飛砟機理示意

國內外防治飛砟的措施主要包括使用聚氨酯道床、土工格柵等，均對道床養護維修工作有一定影響。通過優化軌枕結構進行飛砟防治是一種新思路。軌枕的結構、質量和分布情況影響飛砟產生的概率，若道砟遺留在軌枕表面，飛砟概率也會增加［1，6-7］。法國采用雙塊式軌枕，由于雙塊式軌枕采用角鋼連接，道砟不容易遺留在軌枕中部表面，因此不容易飛砟；為降低飛砟概率，法國定期清掃軌枕表面道砟［8］，同時減少軌枕間距，使用寬軌枕。軌枕結構靈活多變，依托軌枕結構降低飛砟，更加經濟合理。本文結合國內外研究成果，總結基于軌枕結構的飛砟防治措施，為飛砟防治提供參考。

1 空氣動力學優化軌枕

對于新建有砟軌道高速鐵路，列車速度一般為250 km∕h，會產生較大的列車風。試驗表明，當列車速度達300 km∕h時，軌枕表面風速為25 m∕s；列車速度為350 km∕h時，軌枕表面風速將達30 m∕s［9］。強大的風力往往是誘發飛砟的主要原因。這就要求軌枕在滿足動力結構穩定性的同時具有良好的空氣動力特性，降低軌枕處由列車風產生的湍流效應，降低飛砟概率。

西班牙鐵路管理局（Administrador de Infraestructuras Ferroviarias，ADIF）通過計算流體力學，考慮軌枕部位容易出現風壓分布不均勻以及渦流現象，開發出一種空氣動力學軌枕［6］，如圖2所示。這種軌枕的頂部表面與側面的過渡緩和圓順，沒有棱角，軌枕表面不易遺留道砟顆粒；道床表面與軌枕過渡平順，降低了臺階空腔繞流效應。該軌枕可降低風壓30%以上，減少50%飛砟發生概率。

圖2 西班牙空氣動力學軌枕

2 異形軌枕

道床表面至軌道頂面距離越遠，道床表面風壓越小；砟肩堆高的形狀對風壓分布也有影響［10］。因此，可采用降低砟肩堆高、降低枕心道砟高度（圖3）的方法防治飛砟。

圖3 降低枕心道砟高度

為減少飛砟，法國采用了平肩式砟肩結構；日本、意大利、法國降低了枕心道砟高度。我國TG∕GW 116—2013《高速鐵路有砟軌道線路維修規則（試行）》［11］規定，當車速為250～300 km∕h時，砟肩堆高由150 mm減少至100 mm，并降低軌底處道床頂面高度。以上方法雖可減緩道砟的飛濺，但往往引起橫向阻力的減小，例如砟肩堆高可提供超過40%的橫向阻力［12］。橫向阻力的減少會直接影響線路的穩定性和行車安全性。由于橫向阻力受軌枕結構和道床特性的影響，因此，可采用改變軌枕結構的方式增加橫向阻力。在保證橫向阻力的前提下，采取前述飛砟防治措施，為飛砟防治提供新思路［13-14］。

2.1 框架型軌枕

道砟顆粒滑移錯動、重新排列并與軌枕表面進行摩擦，產生橫向阻力。軌枕底部、側部、端部均是提供橫向阻力的重要部位。因此，優化軌枕底部、側部、端部外形，增大軌枕和道砟之間的作用范圍，可增加橫向阻力。框架型軌枕如圖4所示。文獻［15］測試了三種不同框架型軌枕的橫向阻力，并與普通條形軌枕對比。結果表明在砟肩寬500 mm，砟肩堆高150 mm工況下，框架型軌枕最多可使橫向阻力提高37.8%。

圖4 框架型軌枕

2.2 摩擦型軌枕

與框架型軌枕類似，摩擦型軌枕通過在軌枕底部設置凸臺、凹槽等增大軌枕與道砟顆粒間的摩擦、咬合，從而增大橫向阻力。文獻［16］設計了三種摩擦型軌枕，如圖5所示，并測試橫向阻力。結果表明，與普通條形軌枕相比，摩擦型軌枕最多可使橫向阻力增加10%～20%。

圖5 摩擦型軌枕

另外，還可選用雙塊式軌枕。由于雙塊式軌枕采用角鋼連接兩個混凝土塊體，道砟不易遺留在軌枕中部，從而不易引起飛砟，且可以增加橫向阻力。

上述軌枕均可用于高速鐵路，且可在不影響搗固維修的前提下增加橫向阻力，至少可降低砟肩堆高或者枕心道砟高度50 mm，有助于飛砟防治［6］。

3 彈性軌枕

道床振動加速度也是影響飛砟的重要因素。隨著列車速度的增加，振動加速度增大，道砟更容易飛濺，危害性也更大［8］。橋梁上的道床下部剛度大，振動明顯，更容易發生飛砟。在京滬高速鐵路濟南黃河特大橋上，列車車速達到330～350 km∕h時曾經發生過飛砟。同時，振動加速度增大，會導致道砟更容易留在軌枕表面。因此，可采用減少道床加速度的方法減少飛砟，例如增加軌枕質量、使用彈性軌枕等。

彈性軌枕是在軌枕底部設置彈性墊板，如圖6所示。由法國在1989年取得專利，之后德國等歐洲國家開始提倡使用。彈性軌枕增加了軌枕與底部道砟的接觸面積，使得輪軌傳遞荷載在縱向分布長度增加；彈性軌枕減振范圍可達40 Hz，可減緩道床劣化和臟污［17］。采用彈性軌枕后，從整個軌道結構看，上部荷載傳遞給軌枕的能量增加，軌枕的振動加速度增大，從而減少了道床振動加速度，進而減少了飛砟。應用彈性軌枕時應注意：根據測試結果，彈性軌枕會使道床橫向阻力減小；如果軟的枕下墊與硬的軌下墊相結合，則軌枕容易開裂，硬的枕下墊與軟的軌下墊搭配較為合理［17］。

圖6 彈性軌枕

4 結論

通過改變軌枕結構可防治飛砟。與聚氨酯固化道床、土工格柵相比，改變軌枕結構不影響軌道結構的養護維修，為防治飛砟提出新思路。本文根據國內外飛砟研究情況，總結各種優化軌枕結構防治飛砟的方法。主要結論如下：

1）通過改變軌枕上表面結構，優化軌枕附近風壓分布，能減少道砟遺留在軌枕表面的數目，進而減小飛砟概率。

2）通過軌枕底部紋理設計和結構優化，增加道床橫向阻力，再通過降低砟肩堆高和枕心道砟高度的方式能防治飛砟。這樣可以解決由于飛砟防治引起的軌枕橫向阻力不足問題。

3）通過改變軌枕彈性如增加軌枕質量、使用彈性軌枕等，減小道床振動加速度，使道砟不易飛濺，也能減少飛砟危害性。