高架车站玻璃自爆因素分析及维修更换措施研究

魏树健

摘要：钢化玻璃属于安全玻璃，钢化玻璃其实是一种预应力玻璃，为提高玻璃的强度，通常使用化学或物理的方法，在玻璃表面形成压应力，玻璃承受外力时首先抵消表层应力，从而提高了承载能力，增强玻璃自身抗风压性、寒暑性、冲击性等。自爆是钢化玻璃的特性之一，无法避免，没有预兆，这是行业人士的共识， 千分之一的自爆率已是极限。至今为止，钢化玻璃的自爆仍是行业内无法解决的世界难题，属于技术瓶颈，堪称幕墙玻璃的“癌症”。

关键词：钢化玻璃；维修；措施

一、背景

广州地铁二十一号线共建设高架站四座，高架站设计为可上人屋面，屋面高度20-25m，屋顶采用全封闭铝板及钢化采光玻璃屋面，其中屋面板采用直立锁边3mm厚铝镁锰合金面板，板宽400mm，板肋高65mm, 下部铺设100mm厚玻璃纤维保温棉(24kg/m ) ，带铝箔隔汽层，结构支撑层在下部，采用C型钢檩条固定在屋架钢结构镀锌矩型方管檩条上，屋面隐框玻璃采10mm+2.28PVB+10mm 钢化夹胶玻璃（透明），高架站站台及站厅两端采用钢化玻璃幕墙，整座车站横跨广汕公路，玻璃一侧临空。地下站主要为幕墙、护栏、票亭采用玻璃。

该线玻璃主要分为以下四大类：站内墙柱面玻璃、车站栏杆玻璃、高架站屋顶玻璃、高架站两侧幕墙玻璃、出入口玻璃以及其他类型玻璃，2021年1至10月，各类型玻璃爆裂共计约40块，自爆率约0.2%，基本都为自爆，爆裂具有突发性、偶然性及位置不规则性

二、玻璃破裂对运营的影响

（一）对乘客界面的影响

1、高架站屋顶玻璃爆裂：大部分位于轨行区上方，少部分位于马路正上方（如长平站），虽设计为双面夹胶玻璃，但玻璃定制周期长，更换难度大，特别是下层玻璃破裂无法采取相应的防护措施，长时间风吹雨淋仍然有脱落的风险，一旦脱落将会对区间行车和乘客安全产生极大的威胁。

2、站内墙柱面玻璃：位于站厅、站台、出入口等乘客肉眼可见的地方，覆盖区域广，此类破裂一般为滑痕和外力碰撞所致，

会对车站的整体美观产生影响，影响最美车站评选，甚至会影响整个文明城市的创建。

3、高架站两侧幕墙玻璃：站台边缘的玻璃幕墙爆裂，随时有掉落隐患，且部分位于广汕公路辅道上方，会对下方过往车辆和行人产生影响，同时也会影响整个车站的美观。

4、栏杆玻璃：扶梯口和高架站天桥普遍采用双面夹胶玻璃栏，掉落会造成客伤；其他区域一般采用单面玻璃，一旦破裂整块玻璃将会碎成玻璃渣，造成乘客围观，严重者会造成割伤

5、其他玻璃：司机立岗处玻璃，破裂后对轨行区行车有影响；空调候车室玻璃，突然爆裂可能会造成乘客割伤事件。

（二）痛点、难点分析

（一）设计存在缺陷

1、设计选材缺陷：设计选用的钢化玻璃存在万分之五的自爆率，自爆无法避免，但设计未选用替代材料，消除自爆率隐患。

2、设计外观缺陷：上仅仅考虑到车站造型的美观，未考虑后续高架站屋面玻璃更换难度，且选用玻璃未考虑到渗漏水处理难度。（占道审批、玻璃定制、施工空间、施工时间等因素）

3、设计单块玻璃面积缺陷：面积大于4平米的三角形和矩形玻璃，重量较大，要求施工人力多，但现场又没有足够的施工空间，临边或悬空。

（三）对维保更换的影响

1、材料准备：测定尺寸，定制钢化玻璃，部分玻璃不是标准件，需厂家精确测量其尺寸，厂家不愿意零星生产单块玻璃，单独开模，耗时较长，且成本较高。

2、交通导向及交管部门配合：更换时需占用市政道路进行吊装作业，需编制专项交通导行方案，交由运营中心内部、交警队、交通局、街道办进行审批，审批时间长，审批复杂繁琐 。

4、人力、机具要求：占道封路和交通导行获批后，申请50T吊机，组织技术人力进行玻璃更换。

5、更换难度：设计上大量采用幕墙和屋面玻璃，考虑了外型美观，但忽略了后期维保及安全隐患问题。高架站屋顶玻璃和幕墙玻璃更换具有玻璃自重大、夜晚光线差、更换难度大、危险性高等特点，但又不能影响第二天的正常运营，更换时间非常紧张；同时部分高架站破裂玻璃位于屋顶正中部，普通吊车大臂在吊装时无法伸入该区域，且车站周边地面可供吊车施展的空间不大。

6、临时防护措施：当屋顶玻璃破裂层在下方时以及幕墙玻璃破裂在外层时，无法更进一步做好防护措施

三、玻璃自爆原因分析

近年来，钢化玻璃的自爆一直困扰着厂家和用户，钢化玻璃自爆事故的报道也一直见诸于报端。澳大利亚研究人员曾对 8 幢建筑幕墙进行长达 12 年的跟踪研究，8 幢建筑幕墙共计 11760 块钢化玻璃， 共发生 306 块自爆，自爆率为 1. 72%。下

面主要从生产加工、安装设计及现场应用五大方面进行相应的分析。

（一）钢化玻璃中含有硫化镍杂质引起的自爆

玻璃在生产过程中含有一定的 NiS 杂质，这种杂质一般是在玻璃生产的过程中混入其中的， 国外相关研究证明， 玻璃主料石英砂或砂岩带入镍，燃料及辅料带入硫，在 1400℃～1500℃ 高温熔窑燃烧熔化形成硫化镍( Nis) ，无法从玻璃里完全剔除，这也 是引起钢化玻璃自爆也是钢化玻璃自爆的主要原因之一。

同时，这种杂质有着冷胀热缩的特性，当钢化玻璃中的硫化镍( Nis) 晶体发生相变时， 其体积膨胀， 处于玻璃板芯张应力层的硫化镍( Nis) 膨胀使钢化玻璃内部产生更大的张应力， 当张应力超过玻璃自身所能承受的极限时， 就会导致钢化玻璃自爆，在自爆时碎片一般从玻璃的中部向四周程放射性分布， 形状类似蝴蝶，俗称 “蝴蝶斑”，如图1所示。因此，“蝴蝶斑”也是作为判定钢化玻璃是否因为含有硫化镍( Nis) 杂质自爆的重要依据，21号线绝大部分玻璃爆裂均属于此种情况。

图4 蝴蝶纹现场图

（二）玻璃的受热不均引起自爆

设计上大量采用幕墙和屋面玻璃，考虑了外型美观，但忽略了后期维保及安全隐患问题。诸如高架站幕墙玻璃及屋顶玻璃，长期暴露在在阳光直接照射条件下，易吸收阳光中的红外线和可见光，并将其转化为热量， 进而导致自身温度升高引起受热膨胀， 而镶嵌在底槽没有受到阳光辐射或者处于阴凉处的钢化玻璃，没有同步热胀冷缩， 内部形成了热应力， 受热多的区域对受热少的区域形成形成张应力，当这种应力超过了钢化玻璃本身的抗拉强度后就会引起自爆。高架站温度变化，玻璃受暴晒后，如遇突然下雨降温，玻璃自爆率会增加。

同时，钢化玻璃是一种预应力玻璃，内层本身存在一定内应力， 特别是玻璃边角的应力较为集中，如在运输过程中磕碰到玻璃的边角处，很容易破坏内应力平衡，导致直接爆裂，因此加工及运输过程要特别做好边角的保护，此外玻璃边缘存在微小的裂纹等缺陷， 也会加大这种自爆的产生概率。

为更好的研究高架站玻璃爆裂与温差的影响，采用红外热成像仪和温度测纸的方式对屋顶玻璃表面的温度分部情况进行了测量。以朱村站2道21#站台门上方屋顶玻璃破裂为例，在破裂后现场查看未发现有明显蝴蝶纹，经过现场测温并分析结果后，初步断定为玻璃边角温差大产生张应力进而导致的玻璃爆裂。

图3.屋面玻璃破裂现场图及测温纸分布

图4 现场热成像测温图

1、采用热成像仪器测温加过

经过红外热成像仪测温的结果显示，屋顶玻璃最大温度为58℃，且沿外侧边缘的温度明显较玻璃内侧高，外侧受热多的区域对受热少的区域形成形成张应力，当这种应力超过了钢化玻璃本身的抗拉强度后就会引起自爆。

2、采用温度测纸测温的结果

温度测纸为下午2点所测得的结果，其中测点1、测点2和测点3均位于外侧边角，测点4位于玻璃内侧。

测点1	测点2
测点3	测点4

图7 温度测纸测温结果

从各测点测试的温度分布来看，测点1=测点3>测点2>测点4，其中：测点1和测点3的温度最高，已高于65℃，其次为测点2，达到了60℃，温度最低的是测点4，仅勉强达到了54℃，同一时间不同位置温差值达到了12℃以上，且边角处温度明显大于内侧，易造成边角应力集中而产生膨胀。

（三）安装不当引起的自爆

玻璃是脆性材料，固定玻璃的金属边框和五金件均为刚硬性物体，接碰触容易导致玻璃的破裂。JGJ102－2003《玻璃幕墙工程技术规范》中规定了玻璃玻璃边缘和槽口的匹配尺寸，并要求采用弹性垫块、胶条等弹性材料对玻璃进行定位和限位，它的目的是让玻璃在温度及其他因素引起的变形时能自由伸缩，否则玻璃和硬质金属建材刚性接触或者尖端接触容易导致钢化玻璃的破裂。但是在施工过程中，由于施工队伍的素质参差不齐，安装工人的技术水平良莠不齐以及工程监管疏忽等因素，存在有安装不到位的情况发生，安装的质量得不到保证， 这也是引起钢化玻璃自爆的原因之一。目前，二十一号线暂未发现因为建设期安装不当导致玻璃爆裂的问题。

四、玻璃维修更换措施优化

玻璃自爆属于世界型难题，具有一定的偶然性，现有技术无法更进一步降低其自爆比率，只能在维保更换环节压缩时间，以最大程度降低对运营的影响

（一）报修加工过程优化

对四个高架站的玻璃尺寸、型号、位置建立台账，在玻璃自爆后第一时间通过现场定位确定出玻璃的型号和尺寸，并报厂家生产，避免更换过程中尺寸不对造成二次生产更换，既节省了时间又节省了人力物力和财力。

（二）墙柱面玻璃和栏杆玻璃留存备件

1、站内墙柱面玻璃有备件的及时建立台账，标注型号、尺寸及存放位置，便于玻璃破裂后统一调拨；

2、栏杆玻璃是标准件的，安排委外单位采购一定数量作为备件，便于破裂后及时更换；

3、栏杆玻璃是非标准件的安排委外单位采购一定数量的有机板，便于玻璃破裂后根据现场尺寸及时切割并进行临时更换，更换后用砂轮打磨边角，保证整齐美观，以减少对乘客界面的影响，待玻璃到货后进行更换。

（三）其他玻璃采用贴纸等临时防护

其他类型玻璃在破裂后暂时无备件进行更换的，现场判定是否对运营和安全产生影响，无影响的可考虑用贴纸或广告画进行张贴，减少对乘客界面的影响；对于双层夹胶玻璃属内层破裂的，不影响正常使用的，可以先敲掉破裂层，待玻璃到货后进行更换

（四）处理过程跟踪措施

对破裂的玻璃建立台账，注明尺寸、型号、位置、爆裂时间、更换单位及跟进处理。

参考文献

[1]《地铁设计规范》 GB 50157—2013[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2014.

[2]《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2019. 中国建筑工业出版社

[3]刘小根、包亦望、万德田、孙与康：硫化镍引发钢化玻璃自爆的临界尺寸及影响， 无机材料学报. 2020,35(02)

[4]建筑玻璃的特性及应用，建材发展导向. 2018,16(04)