基于軌枕結(jié)構(gòu)的高速鐵路飛砟防治措施探討

井國(guó)慶 杜文博 付琪璋

1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044；2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津300142；3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043

傳統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)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(jià)低、靈活性高、維修方便得到廣泛使用。法國(guó)高速鐵路大部分采用有砟道床，最高運(yùn)營(yíng)速度已達(dá)320 km∕h，東部線最高測(cè)試速度達(dá)574.8 km∕h；英國(guó)HS2（High Speed 2）運(yùn)營(yíng)速度360 km∕h；德國(guó)也通過有砟道床實(shí)現(xiàn)最高速度超過310 km∕h。同時(shí)，非洲第一條高速鐵路以及摩洛哥、土耳其等也開始應(yīng)用有砟道床［2］。

有砟道床最嚴(yán)重的問題是道砟飛濺（飛砟）。飛砟現(xiàn)象分布廣泛，危害大，直接影響有砟道床的發(fā)展［3-4］。我國(guó)的秦沈（秦皇島—沈陽(yáng)）客運(yùn)專線曾在試車時(shí)發(fā)生飛砟現(xiàn)象；意大利的羅馬—那不勒斯高速鐵路也發(fā)生過飛砟現(xiàn)象。飛砟機(jī)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(dòng)。列車運(yùn)行時(shí)，在列車風(fēng)荷載和道床振動(dòng)的共同作用下，道砟擊打車體，遺留在鋼軌表面，對(duì)車體、鋼軌產(chǎn)生損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至危及乘客安全，增加養(yǎng)護(hù)維修成本，給運(yùn)營(yíng)管理帶來困難［1］。在嚴(yán)寒地區(qū)，速度較低的列車也會(huì)因?yàn)楸┒霈F(xiàn)飛砟現(xiàn)象［4-5］。飛砟主要受道砟粒徑、密度、級(jí)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(duì)飛砟現(xiàn)象的研究方法主要包括現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)及流體力學(xué)模擬，但針對(duì)飛砟的防治措施不足以應(yīng)對(duì)列車提速和復(fù)雜運(yùn)營(yíng)環(huán)境的要求，還須進(jìn)一步研究。

圖1 飛砟機(jī)理示意

國(guó)內(nèi)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(duì)道床養(yǎng)護(hù)維修工作有一定影響。通過優(yōu)化軌枕結(jié)構(gòu)進(jìn)行飛砟防治是一種新思路。軌枕的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和分布情況影響飛砟產(chǎn)生的概率，若道砟遺留在軌枕表面，飛砟概率也會(huì)增加［1，6-7］。法國(guó)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(guó)定期清掃軌枕表面道砟［8］，同時(shí)減少軌枕間距，使用寬軌枕。軌枕結(jié)構(gòu)靈活多變，依托軌枕結(jié)構(gòu)降低飛砟，更加經(jīng)濟(jì)合理。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果，總結(jié)基于軌枕結(jié)構(gòu)的飛砟防治措施，為飛砟防治提供參考。

1 空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化軌枕

對(duì)于新建有砟軌道高速鐵路，列車速度一般為250 km∕h，會(huì)產(chǎn)生較大的列車風(fēng)。試驗(yàn)表明，當(dāng)列車速度達(dá)300 km∕h時(shí)，軌枕表面風(fēng)速為25 m∕s；列車速度為350 km∕h時(shí)，軌枕表面風(fēng)速將達(dá)30 m∕s［9］。強(qiáng)大的風(fēng)力往往是誘發(fā)飛砟的主要原因。這就要求軌枕在滿足動(dòng)力結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)具有良好的空氣動(dòng)力特性，降低軌枕處由列車風(fēng)產(chǎn)生的湍流效應(yīng)，降低飛砟概率。

西班牙鐵路管理局（Administrador de Infraestructuras Ferroviarias，ADIF）通過計(jì)算流體力學(xué)，考慮軌枕部位容易出現(xiàn)風(fēng)壓分布不均勻以及渦流現(xiàn)象，開發(fā)出一種空氣動(dòng)力學(xué)軌枕［6］，如圖2所示。這種軌枕的頂部表面與側(cè)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(tái)階空腔繞流效應(yīng)。該軌枕可降低風(fēng)壓30%以上，減少50%飛砟發(fā)生概率。

圖2 西班牙空氣動(dòng)力學(xué)軌枕

2 異形軌枕

道床表面至軌道頂面距離越遠(yuǎn)，道床表面風(fēng)壓越?。豁募缍迅叩男螤顚?duì)風(fēng)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(guó)采用了平肩式砟肩結(jié)構(gòu)；日本、意大利、法國(guó)降低了枕心道砟高度。我國(guó)TG∕GW 116—2013《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》［11］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。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(huì)直接影響線路的穩(wěn)定性和行車安全性。由于橫向阻力受軌枕結(jié)構(gòu)和道床特性的影響，因此，可采用改變軌枕結(jié)構(gòu)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?；棋e(cuò)動(dòng)、重新排列并與軌枕表面進(jìn)行摩擦，產(chǎn)生橫向阻力。軌枕底部、側(cè)部、端部均是提供橫向阻力的重要部位。因此，優(yōu)化軌枕底部、側(cè)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?？蚣苄蛙壵砣鐖D4所示。文獻(xiàn)［15］測(cè)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(duì)比。結(jié)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(shè)置凸臺(tái)、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(xiàn)［16］設(shè)計(jì)了三種摩擦型軌枕，如圖5所示，并測(cè)試橫向阻力。結(jié)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(gè)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(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(dòng)明顯，更容易發(fā)生飛砟。在京滬高速鐵路濟(jì)南黃河特大橋上，列車車速達(dá)到330～350 km∕h時(shí)曾經(jīng)發(fā)生過飛砟。同時(shí)，振動(dòng)加速度增大，會(huì)導(dǎo)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(zhì)量、使用彈性軌枕等。

彈性軌枕是在軌枕底部設(shè)置彈性墊板，如圖6所示。由法國(guó)在1989年取得專利，之后德國(guó)等歐洲國(guó)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(zhǎng)度增加；彈性軌枕減振范圍可達(dá)40 Hz，可減緩道床劣化和臟污［17］。采用彈性軌枕后，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，軌枕的振動(dòng)加速度增大，從而減少了道床振動(dòng)加速度，進(jìn)而減少了飛砟。應(yīng)用彈性軌枕時(shí)應(yīng)注意：根據(jù)測(cè)試結(jié)果，彈性軌枕會(huì)使道床橫向阻力減小；如果軟的枕下墊與硬的軌下墊相結(jié)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(jié)論

通過改變軌枕結(jié)構(gòu)可防治飛砟。與聚氨酯固化道床、土工格柵相比，改變軌枕結(jié)構(gòu)不影響軌道結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)維修，為防治飛砟提出新思路。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外飛砟研究情況，總結(jié)各種優(yōu)化軌枕結(jié)構(gòu)防治飛砟的方法。主要結(jié)論如下：

1）通過改變軌枕上表面結(jié)構(gòu)，優(yōu)化軌枕附近風(fēng)壓分布，能減少道砟遺留在軌枕表面的數(shù)目，進(jìn)而減小飛砟概率。

2）通過軌枕底部紋理設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)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(zhì)量、使用彈性軌枕等，減小道床振動(dòng)加速度，使道砟不易飛濺，也能減少飛砟危害性。