动车的侧窗玻璃都为双层钢化玻璃, 外层钢化玻璃厚5 mm; 有的动车侧窗间及车门上安装有盲窗, 为单层不透明钢化玻璃, 厚2.5 mm。

动车侧窗玻璃具有较高的机械强度和抗冲击强度：一是要能承受列车交会时产生的正负交变空气压力冲击, 200~300 km/h速度等级侧窗承受压力强度要求达到±4 000 Pa, 300 km/h及以上速度等级动车组侧窗承受压力强度要求达到±6 000 Pa^[1]; 二是要通过抗砾石冲击试验, 即玻璃受到速度为400 km/h的20 g铝弹的冲击不发生损坏。钢化玻璃由于加工工艺的原因都存在自爆的可能性。

2.1.1 玻璃自爆原因

钢化玻璃是用切割好的普通玻璃经过物理或化学钢化的方法, 使玻璃表面形成均匀压应力, 内部则形成张应力, 从而提高玻璃的强度。厚6 mm以下的化学钢化玻璃, 其强度、性能、平整度均高于物理钢化玻璃, 动车使用的都为化学钢化玻璃。钢化玻璃受外力破坏时, 碎片呈多边形小颗粒, 不会对人体造成严重的伤害。钢化玻璃可能因为玻璃中的微小结石、杂质、气泡等潜在变化或使用过程中形成的划痕等缺陷, 使其内部应力平衡改变而导致爆裂。某一块钢化玻璃突然发生自爆是正常现象, 钢化玻璃自爆率一般在3‰ 左右。

2.1.2 玻璃自爆裂纹特征

动车玻璃自爆情况较少, 以海南环岛高铁为例, 2010年以来每年发生1~2起。动车玻璃自爆形成的玻璃破碎痕迹特征明显, 其放射裂纹中心会形成典型的“ 蝴蝶斑” 裂纹^[2], 且表面无击打点痕迹（见图1）。

图1

Fig.1

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	图1 玻璃自爆裂纹（a.明窗; b.盲窗）Fig.1 Cracks caused from glass auto-explosion (a. open-to-outside window; b. blind window)

飞砟是指在有砟轨道中, 由于列车高速行驶的振动和风压引起道砟颗粒的飞溅^[3]。道砟颗粒飞溅一般仅击打列车车底及行走部件, 在动车高速运行形成的特定气动效应作用下, 一些小颗粒道砟能继续向车体上部运动击打玻璃。

2.2.1 动车气动效应的空气流动规律

动车高速运行时, 车头迎风受到正压力, 与车尾的负压力形成压差; 车体周围空气吸附（黏性作用）于车体表面向车尾高速摩擦流动^[4]。

2.2.2 飞砟形成机制

动车高速运行在交会和进出隧道口时, 动车的气动效应^[5]会形成复杂的上升气旋, 气旋可能卷起线路上碎屑物形成飞砟, 飞砟在气流的束缚下高速“ 摩擦击打” 车体, 以动车车速160~350 km /h为参照, 飞砟相对于动车击打速度为44~97 m/s。飞砟击打车体时, 会造成玻璃破碎或者车体刮伤（见图2）。

图2

Fig.2

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	图2 飞砟在车体上形成的刮痕Fig.2 Scratches on traincar body hit with flying ballast

2.2.3 飞砟击打玻璃破碎痕迹特点

1）击打点较小, 击打点常有由车头向车尾方向的水平条状擦痕, 形成的破口也为水平条状或椭圆状, 有的破口后方玻璃碎片脱落, 破口呈“ c” 形或反“ c” 形（见图3）; 实际案例中, 条状擦痕和破口的宽度一般为2~6 mm, 原因是卷起碎砟体积小、质量轻。动车高速运行时主要是引起50 g以下的小道砟击打车底^[3], 而动车玻璃距轨面高2~2.65 m, 无相应的实验计算飞砟的大小和质量。

图3

Fig.3

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	图3 飞砟击打玻璃痕迹（a.条状擦痕; b.条形破口; c.“ c” 形破口）Fig.3 Marks on glass-pane struck with flying ballast (a. strip-form scratch; b. strip-shape break; c. c-shaped cleft)

根据实践中飞砟形成擦痕最宽为6 mm以及击打物比痕迹略大的情况, 估算飞砟最大体积为9 mm×9 mm×9 mm, 道砟密度为2 700 kg/m³左右, 可计算出最大飞砟质量为1.97 g, 由此可见击打玻璃的飞砟质量为2 g以下。

2）一般都有两个以上击打点, 有时同一次的多个击打点造成相邻两块玻璃同时破碎。在收集的111起飞砟造成玻璃破碎案例中, 其中有两个以上击打点的87起, 占78%。其形成分两种情况, 一是多个飞砟形成多个击打点, 即气动效应一次卷起多个细小飞砟击打玻璃; 二是同一个飞砟形成多个击打点, 由于飞砟击打玻璃入射角度大, 紧贴玻璃高速“ 摩擦击打” 第一点弹开后, 又在气流的束缚下再次击打车体, 出现类似“ 打水漂” 现象（见图4）。其痕迹特点为多个击打点击打方向一致, 由车头指向车尾方向, 呈水平状由前向后依次排列, 其间距通常为2~8 cm。

图4

Fig.4

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	图4 飞砟形成多个击打点（a.多个飞砟; b.单个飞砟）Fig.4 Multiple striking points resulted from flying ballast (a. multiple flying ballasts; b. single flying ballast)

2.2.4 飞砟造成玻璃破碎痕迹分析应注意的情况

1）飞砟多发生于以石砟作为道床的有砟轨道线路。特别是线路捣固作业期间, 铁路工务部门要通过机械捣固等方式把道砟压实, 作业过程会将体积小的道砟翻动到道床表面, 是飞砟形成多发期。以混凝土等整体基础作为道床的无砟轨道线路则一般不会发生飞砟情况。

2）飞砟击打玻璃后有可能延后破碎。实践中, 有旅客发现车窗玻璃上开始只有一条小裂缝, 动车运行一段时间后发生整面玻璃破碎。也就是说, 车上玻璃发生破碎时, 动车可能没有交会、过隧道等情况。

3）飞砟击打玻璃形成的浅表擦痕常会引起玻璃自爆, 在玻璃破碎中心形成典型的“ 蝴蝶斑” 裂纹, 且“ 蝴蝶斑” 裂纹上有水平条状擦痕（见图5）。在收集的111起案例中, 飞砟击打引起玻璃自爆的有5起。

图5

Fig.5

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	图5 擦痕引起玻璃自爆（a.明窗; b.盲窗）Fig.5 Glass auto-explosion caused with scratches (a. open-to-outside window; b. blind window)

4）有砟轨道和无砟轨道线路上的动车气动效应有时还会卷起线路上的脱落部件、垃圾等片状物击打车体, 在车体和玻璃上形成破损或大面积擦痕（见图6）。

图6

Fig.6

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	图6 盲窗玻璃上大面积擦痕Fig.6 Size-large scratch on blind glass

作案人利用弹弓弹射钢珠造成动车玻璃破碎。如在2020年7月24日广深港高铁击打动车案件中, 作案人王某使用弹弓弹射直径8 mm的钢珠将G9673次动车的一块车窗玻璃击碎。

2.3.1 弹弓弹射钢珠造成玻璃破碎形成机制

作案人利用弹弓橡皮筋的形变, 将弹性势能转化为钢珠的动能, 将钢珠射向动车造成玻璃破碎。作案人弹射地点位于动车运行一侧的铁路栅栏外, 钢珠呈抛物线运动击打车体玻璃, 钢珠几乎垂直于玻璃平面击打, 其击打速度较快, 钢珠弹射的初速度一般为40~90 m/s, 通常使用直径4~8 mm的钢珠, 质量为0.3~2.1 g。

2.3.2 弹弓弹射钢珠击打形成玻璃破碎痕迹特点

弹弓弹射钢珠击打动车玻璃会在玻璃外层形成圆形破孔, 边缘清晰无擦痕, 内层形成喇叭口层裂剥离; 有一定倾斜角击打时, 则形成椭圆形孔洞; 弹射距离远, 钢珠冲击动能较小时, 则形成的破孔小, 并在内层形成碗状剥离（见图7）。

图7

Fig.7

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	图7 钢珠击打玻璃痕迹（a.圆形孔; b.椭圆形孔; c.小圆孔）Fig.7 Marks formed with steel-ball hitting to glass (a. round hole; b. oval hole; c. small hole)

作案人徒手抛甩石块击打动车造成动车玻璃破碎。

2.4.1 抛石击打造成玻璃破碎形成机制

作案人位于动车运行一侧的铁路栅栏外向动车抛甩石块, 石块呈抛物线运动击打车体玻璃, 石块几乎垂直于玻璃平面击打, 其击打速度较慢, 抛出初速一般为25 m/s左右。

2.4.2 抛石击打造成玻璃破碎痕迹特点

抛石击打造成动车玻璃破碎痕迹受石块体积、质量、抛出速度以及被击打动车运行速度等多种因素影响, 其形成痕迹表现多样。作案人一般要选择比较称手的石块, 相对线路飞砟其体积和质量较大, 抛石击打一般情况下会在外层玻璃击打点形成不规则形状破口, 破口边缘清晰无擦痕。石块较小、动车速度较慢时, 多形成玻璃破裂无破口或小破口情况; 石块较大时, 冲击玻璃动能也大, 破口外围会形成同心圆状的切向裂纹, 有时石块击穿外层玻璃后卡在双层玻璃隔层内。动车速度较快时, 石块有时会受气动效应的吸附作用出现二次击打玻璃现象。

1）两者击打入射角度差别大。飞砟在空气吸附作用下由车头向车尾方向击打, 其击打入射角大, 紧贴玻璃面“ 摩擦击打” ; 抛石击打在动车的一个侧面的栅栏外投掷击打, 其击打入射角小, 几乎“ 垂直击打” 玻璃面。

2）击打物的质量不同。飞砟质量轻, 多为2 g以下, 质量大的道砟气动效应无法卷起; 而抛石击打用的石块必须“ 称手” , 质量一般为40 g以上, 有的就地取材的石块质量很大, 如在2008年2月15日广深线发生的石击动车案件中, 作案人抛出的砖块大小为10 cm×8.5 cm×5 cm, 质量达760 g。如果是用手抛甩与飞砟同样大小的小石砟, 则小石砟会因质量小受空气阻力影响大的原因, 难以抛到铁路线上。

3.2.1 抛石击打形成大破口破碎痕迹与飞砟造成痕迹区别

抛石击打的石块体积和质量较大时, 往往造成外层玻璃击穿, 在击打点形成破口, 并碰击内层玻璃。该破口不规则, 与飞砟形成的水平条状破口区别明显; 且大破口直径大于6 mm, 反映击打石块体积大, 质量远重于2 g。被击打动车运行较慢的情况下, 破口下方形成玻璃脱落, 内层玻璃表面有面积较大由上至下的擦痕（见图8）。

图8

Fig.8

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	图8 破口内层玻璃由上至下的擦痕Fig.8 Downward scratch on the inner-layer glass open to the hitting hole

3.2.2 抛石击打形成无破口破碎痕迹与飞砟造成痕迹区别

抛石击打的石块体积和质量较小、抛出速度慢、被击打动车运行较慢时, 玻璃面会形成单一的缺损点, 未形成破口; 其痕迹表现为玻璃放射纹中心的不规则缺损清晰完整, 没有水平状的擦痕。飞砟造成的无破口玻璃破碎痕迹特点为, 其玻璃放射纹中心的击打点上有一水平条状由车头向车尾方向的擦痕, 两者区别明显。（见图9）

图9

Fig.9

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	图9 无破口破碎痕迹（a.抛石击打; b.飞砟）Fig.9 Cracked yet no hole-formed marks resulted from riprap (a) and flying ballast (b)

3.2.3 抛石击打形成小破口破碎痕迹与飞砟造成痕迹区别

抛石击打的石块体积和质量较小、抛出速度快、被击打动车运行较慢时, 玻璃面会形成单一的直径6 mm以下的小破口。线路飞砟有时也出现单个击打点情况, 并且形成椭圆状小破口。两者外观相似, 是痕迹判断的难点。抛石击打小破口是一次击打一个动作形成, 飞砟小破口是一次击打两个动作形成, 可以从两者形成机制的不同找到痕迹区别点。

1）玻璃放射裂纹汇聚点位置不同。放射裂纹是指玻璃破碎时, 形成以作用点为中心向四周辐射状分布的裂纹^[7]。抛石击打小破口是一次击打一个动作形成, 即石块几乎垂直击打玻璃, 击破玻璃的同时瞬间弹开, 引起玻璃破碎的能量冲击点为石块最先接触玻璃面的点, 也就是形成的破口中心, 其痕迹表现为玻璃裂纹放射纹汇聚点位于破口中心。飞砟小破口是一次击打两个动作形成, 即飞砟紧贴玻璃面“ 摩擦击打” 玻璃, 其击打过程为：飞砟最先由浅入深摩擦冲击玻璃面引起玻璃破碎, 玻璃破碎放射纹汇聚点位于第一摩擦击打点, 玻璃破碎后飞砟继续向车尾方向摩擦击打已碎裂的玻璃面形成条状破口。其痕迹表现为玻璃放射裂纹汇聚点位于条状破口的前方, 见图10。

图10

Fig.10

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	图10 小破口破碎痕迹（a.飞砟从左向右摩擦击打; b.飞砟从右向左摩擦击打; c.抛石“ 垂直” 击打）Fig.10 Small broken holes and patterns caused with (a/b. flying ballast to frictionally strike from left/right to right/left; c. riprap to strike vertically)

2）抛石击打小破口边缘清晰无擦痕, 飞砟小破口前方有由车头向车尾的擦痕, 一般会有摩擦击打形成的白色玻璃碎末或飞砟粉末。（见图11）

图11

Fig.11

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	图11 飞砟摩擦击打形成的粉末Fig.11 Powder formed from flying ballast undergoing into friction

3.2.4 抛石击打与飞砟形成多次击打痕迹区别

被击打动车运行较快时, 石块击打和飞砟击打玻璃后都会受气动效应的吸附作用出现相似的二次击打玻璃痕迹, 但由于击打角度和击打物体积、质量不同, 两者形成痕迹也有区别。

1）抛石击打角度几乎与玻璃垂直, 石块质量相对较大, 对玻璃垂直侵彻力较强, 第一击打点的破口为“ 一触即破” 的方式形成; 而飞砟紧贴玻璃面击打, 飞砟重量较小, 对玻璃垂直侵彻力较小, 第一击打点为“ 摩擦击打” 的方式形成, 即由浅入深摩擦玻璃一小段距离后再形成破口。所以抛石击打破口靠车头端边缘清晰无擦痕, 飞砟形成破口靠车头端有由车头向车尾的擦痕。

2）抛石击打对玻璃垂直侵彻力较强, 被击打动车运行较快时, 石块在第一击打点形成破口后, 在破口后方击穿外层玻璃, 并碰击内层玻璃或金属面板表面形成面积较大由车头向车尾的水平面状擦痕（见图12）, 实际案件中擦痕宽度为2~5 cm之间; 飞砟对玻璃垂直侵彻力较小, 一般没有击穿外层玻璃碰击内层玻璃的现象。

图12

Fig.12

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	图12 破口内层玻璃由前至后的擦痕Fig.12 Broken hole and scratch on inner-layer glass hit with riprap in opposite direction to the train's running

3）抛石击打的石块相对于飞砟体积较大, 玻璃上的二次击打一般形成较大的孔洞或片状击打痕, 实际案例中直径在2.5~6 cm, 有的孔洞边缘清晰可反映石块的特定形状; 飞砟二次击打会形成或大或小的玻璃剥脱孔洞和水平状擦痕, 擦痕宽度一般在6 mm以下（见图13）。

图13

Fig.13

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	图13 二次击打形成痕迹（a.石击形成片状击打痕; b.石击形成特定形状孔洞; c.飞砟形成剥脱孔洞和擦痕）Fig.13 Marks formed with secondary striking (a. flake-shaped marks formed with stone striking; b. shape-specific holes formed with stone striking; c. peeling-off holes and scratches formed with flying ballast)