荔枝岭隧道全长4 815 m, 呈东西走向, 靠北侧为高铁下行线, 靠南侧为高铁上行线, 隧道中部K318+838 m处北侧隧道壁设有一圆拱形救援通道, 通道宽762 cm与隧道呈65° 角, 通道隔墙中部的2号门门洞上装有一个双开铁门, 与隧道的铁路下行线距离为390 cm, 该救援通道向西北方延伸500 m通往外界的1号门。1号门为网状的铁门, 门锁完好。2号双开门原为全封闭式设计, 由不锈钢板材拼焊制成。勘查可见, 2号双开门严重损坏, 两扇门页上、下共4块正方形门板缺失, 残留的门框各部件的不干胶保护膜完好, 整体散架（见图1a）; 门框各部件焊接点断裂呈半脱落状态, 脱落损坏处无工具撬压、撞击、推压痕（见图1b）; 两扇门页中部门框距地高108 cm处装有执手锁, 执手锁位置的门框呈弧形向隧道内形变最严重, 形变处门框上不干胶保护膜完好, 门框、门锁无工具撬压、撞击、推压痕（见图1c）。

图1

Fig.1

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	图1 损坏的2号门（a: 残留的门框整体散架; b: 门框各部件焊接点断裂呈半脱落状; c: 门锁变形处无撬压痕迹）Fig.1 The broken door (a. door’ s torn-apart frame; b. the dismantled piece of the door’ s frame having its weld-joints broken; c. no prying marks at the deformation site around the door’ s lock)

据了解, 铁路职工在事发后, 立即对隧道进行了排查。在隧道内K318+838 m处救援通道2号门口南侧的下行铁路线约5 m长范围的道心、路肩上捡到三块完整的正方形不锈钢板; 在上行线K318+838 m处以西约80~100 m处道心上捡到两块变形的不锈钢板部件。铁路职工在下行铁路线上捡到的三块完整的正方形门板大小规格一致, 门板边长为68 cm, 门板正反两面为厚度0.5 mm的不锈钢板, 中间夹有厚度为7 cm的白色泡沫板, 每块重约5.2 kg（见图2a）; 其中一块有轻微的弧状形变, 三块正方形门板无工具撬压、撞击痕和推压痕迹; 救援通道2号门与上行线距离为760 cm, 铁路职工在上行铁路线上捡到两块辗轧变形的不锈钢板, 为一块正方形门板的正反面不锈钢板, 变形后的大小分别为53 cm× 55 cm、49 cm× 45 cm, 厚度为0.5 mm, 内面粘附有白色泡沫颗粒, 每块重约2.6 kg（见图2b）。经搜索, 在上行线K318+838 m处以西（D7156次动车运行方向）110余米范围内的轨面及水泥枕上有多处断续的、不规则的辗轧痕和碰擦痕, 轨面上最大的辗轧痕迹大小为8 cm× 15 cm。

图2

Fig.2

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	图2 铁路线上捡到的不锈钢板（a: 脱落的正方形不锈钢板; b: 被辗轧的不锈钢门板）Fig.2 The collected materials (a. the shed stainless-steel square plate; b. the rolled stainless-steel door panel)

辗轧不锈钢门部件的D7156次动车共有8节车厢, 运行时的车头前两节车厢完好, 其尾部6节车厢底部、车轮、转向架有多处明显的不规则碰擦痕（见图3）, 约80余处, 最长的达90 cm, 车底壳及管件多处形变并吸附有白色泡沫颗粒。

图3

Fig.3

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	图3 碰擦痕（a: 车轮及转向架上; b: 车厢底部）Fig.3 Marks resulted from bumping and/or scratching (a. marks on the wheel and bogie; b. marks on the bottom of the carriage)

被损坏的工作门于当年5月25日安装。调取辗轧异物的D7156次动车及65 min前驶过相同铁路区段的D7154次动车车头行车视频记录, 均未发现线路上有异物情况。访问D7156次动车各车厢的工作人员, 动车辗轧异物时, 车头前2节车厢的司机及列车员没有感觉到车体有异响; 而尾部6节车厢的列车员及清扫员明显感觉车底部有东西在滚动, 并有很大响声, 与车体勘查尾部6节车体有损伤的情况吻合。调取事发前后荔枝岭隧道两端以及救援通道入口3处视频监控记录, 未发现有人员进入和其它异常情况。

根据现场勘查、调查访问及视频资料情况, 事发前后无人进出现场, D7156次动车车头运行前方轨面未发现有异物, 车头前2节车体未发现碰撞辗轧异物痕迹, 前2节车体上工作人员也未听见异常响动, 故列车前部未撞击异物, 仅后6节车体发生了撞击辗轧, 事故可排除人为轨面放障因素引起。被损坏的2号门无工具撬压痕和推压痕迹, 整体受力均匀向内变形, 门板脱落、门框散架, 其损坏方式和部件散落方向符合隧道内动车通过时产生负压, 救援通道外气流向隧道内流动的气动效应^[1]形成的结果。事故发生过程为：D7156次动车以时速250 km运行在荔枝岭隧道内救援通道2号工作门处时, 前第一、第二节车厢通过后, 2号工作门突然在隧道内气动效应作用下损坏, 门页上的四块门板脱落, 由于门板为两层薄钢板夹厚泡沫制成, 具有体积大、质量小的特点, 门板在气流冲击下向隧道内的线路上散落, 其中三块落于较近的下行线上, 另一块则落于较远的上行线, 卷入运行至该处的D7156次动车第3节车厢底部, 造成该车第3节至尾部第8节车厢车底损伤。2号工作门于安装8 d后损坏, 隧道每天要通过38趟动车, 说明该门为多次气动效应作用下损坏。

发生气动效应损坏工作门的高铁隧道长约5 km, 其中部侧面设有一个救援通道通向外界, 紧靠隧道壁的通道口装有一个密闭结构设计的铁门, 距铁路较近, 因而在安装之时就埋下了事故隐患。

由于隧道壁面的约束, 动车在隧道内的“ 活塞运动” 使周围的空气气压在短时间内发生巨大变化, 在车头形成高气压压缩波向前传导, 在车体两侧及车尾则形成低压区^[2]。本案例的动车以每小时250 km的速度通过隧道中部救援通道口时, 隧道内救援通道口的空气在车头的推动下空气压力瞬间变低, 使封闭的工作门门外气压高于门内气压, 这种压差造成通道外空气对整个工作门的压力瞬间达到最高阈值形成冲击载荷^[3]（见图8）; 工作门未损坏时, 在动车通过过程中, 门内外气压差对工作门产生持续的静载荷, 列车驶过后救援通道口空气得到补充气压升高, 工作门内外的气压差随之消失, 恢复正常。该隧道内工作门从安装到损坏, 期间共通过列车300余趟, 即工作门是在300余次气动效应作用后, 被最后一次冲击载荷损坏。

图8

Fig.8

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	图8 高铁隧道救援通道口气动效应示意图Fig.8 Diagram for pneumatic impact at the rescue passage entrance of high-speed-railway tunnel

气动效应损坏痕迹的能量来自压力瞬变产生的空气流动, 必须在特殊的条件和环境下才能形成。工具痕迹一般是人为施力的工具作用在客体上即可形成。

气动效应损坏痕迹的造型客体是无形的空气气流, 其形成痕迹特点是气流的作用力为分布力, 即气流均匀作用于承受客体与气流运动方向相对的表面, 无集中作用点, 承受客体产生形变方向与空气流动方向一致。如本案例的损坏的双开铁门中部执手锁处向内形变, 形变最严重处的门缝、门框、门锁上无任何撬压、撞击、推压等集中作用点痕迹, 个别散架的横条部件产生轻微的弧形形变也符合无形气流冲击形成痕迹的特点。工具痕迹的造形客体是有一定外部形态结构的工具或器械, 其形成痕迹特点是工具的作用力为集中力, 与工具接触部位产生塑性形变能反映工具的局部外表结构特点^[4]。如被工具破坏的门, 在其形变最严重部位会留下明显的撬压、撞击等工具塑性形变痕迹, 常表现为作用点不止一处, 且作用力的部位和方向均不同。以工具撬压破门为例, 一次撬压动作能使工具在门的不同部位形成支点压痕和重点撬痕, 两个痕迹相互对应、受力方向相反^[5]。

高铁隧道内气动效应造成工作门损坏, 并构成行车事故的情况在全国尚为首例, 本文就高铁隧道内气动效应的形成机制和损坏痕迹的特点进行探讨, 对准确定性危及高铁行车安全的案事件具有参考价值。