1.1.1 列车运行时, 道砟飞溅致车窗玻璃破损 列车在明线上高速运动时, 带动列车周围的空气随之运动, 形成一种特定的非定常流场, 通常叫做列车风, 其外部空气绕流特点^[1](见图1)。

图1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 列车外部绕流示意图

道砟飞溅是指有砟铁路道床在高速列车通过时, 道床上的道砟在高速列车运行产生的风力作用下, 飞离道床, 击打列车转向架的车轴、制动缸、铁轨踏面等处^[2]。此类现场较多出现, 破损的玻璃多为盲窗玻璃, 运行区间多发生在列车通过隧道时, 仅从2010年4月至11月, 就有4起盲窗破损事件发生(见图2, 图3)。据报道, 温福线2009年动车实验期间也曾出现过玻璃破损及车体损坏现象, 经勘查, 整列车厢外侧壁共有撞击点28处, 撞击点大小不等, 深浅不一, 表面不光滑, 有的撞击点把车厢外侧壁的金属掀起, 有的撞击凹坑内嵌有石砟残块。经对某隧道抽样勘查, 在隧道纵深200m范围内可以发现隧道两侧的内壁上有大量的撞击凹坑, 撞击凹坑大小不等, 一般在2cm× 2cm左右。撞击点表面粗糙, 形态不规则, 撞击坑内发现有灰白色粉末物质, 撞击点集中分布在距轨面100cm处区域, 以隧道出入口延伸至隧道内50m处为多。同样, 成灌客专2010年高速铁路试验期间也曾出现过玻璃破损和车体损坏的类似现象。

图2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 盲窗玻璃破损

图3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 盲窗上多处撞击点

1.1.2 两车交会时列车风卷起异物致玻璃破损 当两列车在相邻线路上通过时, 其头尾所引起的压力扰动将在其相互对面一侧上引起压力波动^[3]。列车压力波现象包括明线上列车会车压力波和隧道压力波两部分内容。运动的列车将前方与周围的空气排开, 使空气受到扰动; 列车速度越高, 列车周围空气受到扰动的程度就越强烈, 两列车会车过程中, 空气扰动将更加剧烈。据文献报道^[4], 当长白山号列车以200km/h速度通过隧道时, 产生的列车风速为14.8m/s。

高速列车两车交会时的空气动力效应也会引起玻璃的破损, 如某年4月, 某次动车在与一列货车交会时, 11号车厢运行前端右侧第4块侧窗玻璃破裂, 玻璃上有3处碰擦痕, 痕迹呈线形, 车厢运行方向右侧车体中下部有10处碰擦痕迹, 其痕迹均反映出线形碰擦特征。后通过走访和调取监控查证, 受损车厢壁与车窗玻璃位于列车运行右侧, 事发时正好与一列货物列车交会, 货物列车上未扎牢的捆绑绳在列车风的作用下, 上下摆动, 致使动车侧窗玻璃、车厢壁破损(见图4 , 图5)。

图4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 侧窗玻璃破损

图5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 车体损害情况

1.1.3 列车通过隧道时空气动力效应引起的玻璃自爆 此类现场较少出现, 至本文时仅出现一例。某年5月, 某次动车通过张家坝隧道时车窗内层玻璃发生整体破裂。勘查中见玻璃破损以某一点为中心向四周出现放射状条形裂纹, 裂纹数量少, 玻璃表面无任何缺损, 无任何外力打击着力点反映, 可排除人为因素。

国家标准《建筑用安全玻璃 第二部分:钢化玻璃》GB15763.2-2003附录A.2对钢化玻璃的自爆有比较明确的阐述:由于玻璃中存在微小的硫化镍结石, 在热处理后一部分结石随着时间会发生晶态变化, 体积增大, 在玻璃内部引发微裂纹, 进而可能导致钢化玻璃自爆^[5]。

鉴别钢化玻璃的自爆, 首先看起爆点是否在玻璃中间, 如在玻璃边缘, 一般是因为玻璃未经过倒角磨边处理或玻璃边缘有损伤, 造成应力集中, 裂纹逐渐发展造成的; 如起爆点在玻璃中部, 看起爆点是否有两小块多边形组成的类似两片蝴蝶翅膀似的图案(蝴蝶斑), 如观察两小块多边形公用边有肉眼可见的黑色小颗粒(硫化镍结石), 则可判断是自爆的。玻璃自爆典型特征是蝴蝶斑, 钢化玻璃自爆形成的放射裂纹呈不规则弯曲状分布, 裂纹密度低, 长度可达玻璃边缘^[6]。而机械载荷工具形成的玻璃破损, 作用点位于玻璃表面, 该点可成白色粉末状, 或有砖块等打击客体遗留下的自身的粉末状物质。

同时, 高速列车通过隧道时形成的空气动力效应也是引起钢化玻璃自爆的诱因之一。表1为2005年铁道部在遂渝线200km/h提速综合试验— — 隧道空气动力及结构动力学试验中测得的数据^[7]。

表1

表1

表1 列车经过松林堡隧道和荆竹岭隧道时车厢内外瞬变压力特征数据 隧道名称 实测速度 (km/h) 位置 3s间隔变化 值(kPa) 峰对峰最大 值(kPa) 松林堡 200.1 车厢内 1.88 2.22 车厢外 4.29 4.30 荆竹岭 200.0 车厢内 1.03 1.81 车厢外 2.94 3.89

表1 列车经过松林堡隧道和荆竹岭隧道时车厢内外瞬变压力特征数据

综合现场勘查所见、列车通过隧道时车内外瞬变压力数据变化以及钢化玻璃的自爆特征, 分析此次玻璃破损系动车组进入隧道时的空气动力效应引起的有瑕疵钢化玻璃的自爆。

高速列车交会或通过隧道时所引起的空气流动是十分复杂的, 可能卷起道砟直接打击玻璃, 也可能引起道砟飞溅撞击隧道壁后反弹致玻璃破损, 实践中通过分析打击方向, 特别是仅仅通过现场钢化玻璃破损的裂纹判断人为石击或非人为石击是件很困难的事, 目前更多的是结合监控和走访调查的资料为事件定性。

鉴别困难的原因一方面是理论上研究欠缺, 首先不同打击客体形成的钢化玻璃裂纹形态特征, 没有统一的标准。如:戴林等人认为, 钢化玻璃裂纹断口形态, 不受载荷作用方式的影响。无论是枪击或是抛击, 其断口形态均为柱面, 并且断口上有弓形纹分布。由于钢化玻璃表层分布着永久压应力, 而中心层分布着永久张应力。因此, 裂纹扩裂时, 中心层的扩裂速度超前于表层, 其弓形纹的形态呈抛物线形^{[8, 9]}。而陈建华认为, 弹头作用的结果, 在洞孔周围的辐射状裂纹的剖面上产生了较粗糙面, 从洞口到四周粗糙面上依次出现粗细条纹以及细粒状花纹、雾状花纹等, 这些花纹是由于拉应力波及玻璃残余拉应力共同作用的结果。与石击的相反, 这些花纹在洞孔附近接近于玻璃的正面或中轴, 当拉应力波向四周传播了几个小玻璃块时, 其大小会迅速减小到可以忽略不计, 裂纹扩展主要依靠其本身的残余拉应力了, 这与石击钢化玻璃时出现的情况相似^[10]。其次利用物理钢化法和化学钢化法两种不同的工艺生产出的钢化玻璃其破损裂纹有何不同, 尚未见文献报道。另一方面, 铁路开通运营后不可能有实车试验的条件, 目前在列车运行中即使出现玻璃破损, 在不影响安全的情况下, 一般都是由随车机械师用胶带将破损处简单处理, 到达终点后送到检修车间更换, 技术部门很难获取破损玻璃实物。

从目前可判定的人为石击案件来看, 其现场具有以下特点:

(1)如出现一处破损, 则该处玻璃破损的范围较大。根据日本风洞试验研究结果表明, 时速300 km/h列车引起道砟飞溅主要是50g以下小道砟, 而人为石击案件则在打击客体的选取上存在着随意性, 打击客体大小不一, 打击力度轻重不一, 有时可见周圈密封胶条、漆片破损(见图6 , 图7)。但此类现场要求乘警在接报后第一时间对破损处固定, 避免孔洞在列车运行中继续扩大, 造成定性误判。

图6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 人为石击致车窗破损

图7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 破损的密封胶条、漆片

(2)如出现多处破损, 非人为因素形成的破损分布较密集, 破损程度轻重不一, 击穿孔洞和打击裂点可同时出现在同块玻璃上, 提示可能是大小不一的道砟飞溅引起。同时除了明显的玻璃破损外, 车窗、车体上可见大量的擦划点和撞击点, 这些撞击点大小不等, 深浅不一, 表面不光滑, 有的撞击点把车厢外侧壁的金属掀起, 有的撞击凹坑内嵌有石砟残块。

(3)利用破损处粘附的微量物证进行判别。如果验证打击客体来自于非道砟石, 可分析为人为石击。实践中有人为石击的案件, 后通过对破损处粘附的深红色粉末物质检验, 认定了作案人利用红色砖块击打车窗玻璃的违法事实。

(4)人为因素造成的玻璃破损, 一般事发时间、地点明确。乘警可及时找到车内旅客等目击者, 治安部门通过走访调查和调取监控一般可摸排到线索。

高速列车在车体侧墙上有一条贯通的窗带, 窗带上真窗(可视窗)和盲窗(不可视窗)交替安置。真窗包括隔热的中空玻璃, 外面一层为5mm钢化玻璃, 里面为2块层压玻璃板, 内外玻璃之间充有惰性气体, 提高了车窗玻璃的隔音和隔热性能^[11]。而盲窗玻璃为一单层玻璃, 其厚度仅为2.5mm。玻璃结构的不同是盲窗玻璃在动车玻璃破损中所占比例较高的一个重要原因。

钢化玻璃较之普通玻璃具有安全性能, 是因为玻璃经过物理钢化之后, 即玻璃在加热炉内加热到软化点附近, 然后在冷却设备中用空气等冷却介质迅速冷却, 在其表面形成压应力, 内部形成张应力, 提高了玻璃表面的抗拉伸性能。玻璃的强度提高了3-5倍^[12]。钢化玻璃经过热处理之后内部的内能急剧提高, 表面压应力由内部的张应力平衡, 当冲击能量超过内能时, 玻璃在表面开始破裂并延伸至内部, 在内能的作用下, 玻璃被撕裂成小碎块, 碎片的大小和数量与内能的高低有关。钢化玻璃的中间部分最牢固, 四角和边缘最脆弱, 尤其是玻璃上方边缘最中间的部位, 所以, 现场勘查可见车窗玻璃的破损处多集中于四角和边缘处。

过去, 国内列车时速一直在120km/h以内, 列车空气动力学问题并不突出, 近年来, 随着高速列车运行速度的逐步提高, 这一问题越来越凸显出来。高速列车空气动力学问题可以分为明线空气动力学和隧道空气动力学。高速列车通过隧道时的空气动力学问题通常比明线更加强烈, 对旅客、列车、建筑物以及周围环境的影响很大。高速列车在隧道中运行时所诱发的空气动力学及结构动力学效应的影响, 包括瞬变压力、空气动力荷载、列车风、微气压波、车致振动荷载、行车阻力及其它效应等^[13]。

目前文献中谈及空气动力效应引起的玻璃破损主要集中在以下两点:两列车相会时, 通过车的车头对另一列观测车的侧壁产生强烈的压力波(压力脉冲)。过大的瞬态压力冲击导致客车侧墙变形过大, 并伴有空气爆破声, 破坏车体结构, 击碎车窗玻璃^[14]。列车在通过隧道时产生的压力波, 剧烈的压力瞬变可能使乘客和隧道内作业人员的耳膜感受到较大的压力波动, 产生乘客舒适性问题, 且在列车正前方和列车侧面会产生较大的压力冲击, 使机车和客车的玻璃破碎^[1]。

但实践中上述文献记载的因瞬变压力直接造成的玻璃破损现场较少出现, 一般多是文献中未提及的由于列车风引起的道砟飞溅和卷起异物间接导致的玻璃破损。通过以下资料分析和试验论证, 可以解释这一现象:上述文献中提及的玻璃多是普通车窗玻璃, 如22型客车侧窗承受瞬态冲击压力极限为820Pa、25B型客车侧窗为1460Pa, 其性能指标远低于高速列车钢化玻璃指标, 目前后者的指标为:机械强度在6000Pa的瞬间压力作用时, 窗不产生永久变形; 抗疲劳性, 规定的负载, 1百万次的周期, 疲劳负载± 4000Pa, 根据UIC566要求, 在平道上, V≈ 200km/h, 风压是700N/m²时, 试验载荷为2500N/m²。据王立闯等人的高速列车侧窗风压疲劳性能研究:在经历近百万次大小为± 4500Pa, 频率为4Hz的载荷冲击后, 中空玻璃承载性能未产生明显下降, 这说明玻璃材料对循环载荷不敏感, 在百万次循环载荷冲击后, 其刚度不会产生明显变化^[15]。相同的试验还有东南大学舒赣平教授的点支式钢化和夹胶玻璃板的循环疲劳试验研究, 试验中选取尺寸为1m× 1m, 厚度为12mm的单层钢化玻璃, 其结论为:钢化玻璃在循环荷载最大值为10kN时, 循环时间为3~11min, 接近于静载试验; 钢化玻璃在8kN时, 没出现循环疲劳破损; 钢化玻璃经过5× 10⁵次疲劳加载后, 卸载至零, 再加静载至破坏, 其静载抗弯承载力没有降低^[16]。

而实测的数据显示, 列车在明线交会时, 在现有的线间距和运行速度下(4m线间距, 最高运行相对速度为400km/h, 4.6m线间距, 最高运行相对速度为600km/h), 列车交会压力波最大在-1200~1000Pa以内。列车隧道交会压力波最大在-2000~1000Pa^[17]。一方面, 这些实测数据远小于钢化玻璃的性能指标范围, 另一方面, 上述两个试验证明了实测数据范围内的循环疲劳并不能导致钢化玻璃的破损。所以, 笔者认为:文献中提及的高速列车空气动力效应的瞬变压力并不是导致玻璃破损的主要原因, 列车风引起的道砟飞溅应是非人为因素中的主要原因。