青藏铁路沿线房屋病害治理及运维研究

严 晗，靳小飞，王天亮，王 越

(1.中铁建工集团有限公司建筑工程研究院，北京 100160；2.交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，河北 石家庄 050043；3.中国铁路青藏集团有限公司，青海 西宁 810007)

0 引言

青藏铁路是世界上海拔最高的铁路工程，自运营至今已有10余年，路基、桥梁、隧道、轨道结构等线路单元均保持正常服役状态，有力保障青藏铁路正常运营。由于受到冻融、低温、太阳辐射、雨雪和大风等高原气候条件的影响，近年来青藏铁路沿线站台、雨棚、车间、办公区等站场或其他附属建(构)筑物出现不同程度病害现象，包括建筑材料强度降低、开裂、渗水、脱落等，导致房建工程维修频次增加。随着川藏铁路的建设，势必存在与青藏铁路沿线房建工程类似的病害问题。恢复和改善建(构)筑物功能、保持良好的房屋设备状态、延长使用寿命已成为高原地区铁路(房屋设备)管理部门亟待解决的问题。

1 青藏铁路房屋建筑工程病害调研

通过调研青藏铁路(格拉段)17处代表性站点及生产生活用房，房建工程主要存在以下病害：①屋面漏水由于环境原因，防水卷材存在损伤及加速老化的现象，采取有组织排水时，雨水口及雨水管部位排水不畅；②站台雨篷钢结构锈蚀、涂层剥落、起泡、爆裂等问题较严重，尤其是雨篷柱1.7m以上部位较严重，部分天沟出现锈蚀穿透现象，影响铁路整体形象；③围护结构墙体存在沿保温层分隔开裂、夹心保温外墙外叶混凝土墙开裂、基础下沉开裂及涂料脱落等问题，存在一定安全隐患；④部分车间、办公和生活区的给排水管道存在排水功能失效、地层脱空等问题，影响工作人员正常工作与生活要求；⑤围墙、散水、台阶、坡道等沉降开裂，广场砖粉化。

2 屋面工程病害损伤研究

2.1 屋面防水材料对比性试验

为验证屋面防水体系中防水材料的适用性能，对喷涂、成型非固化、喷涂&成型非固化、SBS材料进行高原气候条件下的物理力学性能试验。通过系列试验获得相应指标，进一步了解不同材料在高寒气候环境下的物理力学性能，为新型防水材料在高寒地区的应用提供数据参考和选材建议。

2.1.1试验条件设定

1)冻融温度条件 正温(10℃)辐射和负温(-20， -30，-40℃)冻结，各取12h为1个冻融循环周期，正温环境时附加太阳辐射，按400W/m2进行控制。冻融循环次数按1，5，10，15，20，…(根据时间剩余安排后续冻融循环量)依次选取。涉及冻融循环试验的有断裂伸长率(拉伸性能)、黏结强度(黏附性)、耐候性(人工气候老化、冻融循环和太阳辐射等)及不透水性等性能。

2)低温冻结条件 冷冻温度T按-10，-20，-30， -40℃进行设定，冻结持续时间为12h，涉及冻结试验的有低温柔性、低温弯折性等性能。

3)结合工程实际需要 根据GB/T 328—2007《建筑防水卷材试验方法》，拟进行断裂伸长率(拉伸性能)、透水性、低温柔性、低温弯折性、耐候性(人工气候老化、冻融循环和太阳辐射)、黏滞性(自密自愈性)性能测定。

2.1.2试验结论

1)拉伸性 喷涂材料断裂伸长率稳定在400%～500%； 成型非固化材料断裂伸长率稳定在40%～50%；喷涂&成型非固化材料断裂伸长率稳定在300%～400%；SBS材料断裂伸长率稳定在60%～70%。

2)不透水性 试验压力为0.3MPa，喷涂材料加压后30min，部分试样出现渗漏现象；成型非固化材料加压后25min，部分试样出现渗水现象；喷涂&成型非固化组合后的透水性能得到有效改善，加压45min内均无渗水漏水现象，总体不透水性能表现良好；SBS材料加压后45min内一直处于良好状态，无漏水渗水现象。

3)低温柔性及弯折性 4种材料在该指标上表现相似。喷涂材料在-40℃时无明显裂缝，弯折时发生断裂；成型非固化材料在不同低温下性能稳定且达标；喷涂&成型非固化材料在-40℃时材料表面无损、无可见弯折裂痕；SBS材料在-40℃时表面塑料膜微裂，内部主体材质无损。

4)耐候性 成型非固化防水材料在该模拟条件下，表面长期处于软黏状态，表面有程度不大的老化。由于检测周期限定，短期内喷涂、喷涂&成型非固化、SBS材料在该指标上均较稳定，随冻融及辐射过程，材料表面稳定性较好，无明显老化。因此，在模拟环境下防水材料的耐候性仅证明试验期内无恙。

5)黏滞性 喷涂&成型非固化、喷涂材料被尖锐物刺穿后，冻结期内可较好自愈，冻结后恢复至常温并安装在满水容器口内倒置，均无漏水现象；SBS、成型非固化材料被尖锐物刺穿后，冻结期内自愈性较差，冻结后恢复至常温并安装在满水容器口内倒置，可观察到明显的滴水现象。但由于SBS材质强度远高于其他3种防水材料，因此在自愈性指标上应考虑该因素的影响。

2.1.3指标对比

4种材料性能指标对比如表1所示。

表1 指标对比分析

2.2 屋面防水损伤机制

2.2.1试验模型建立

屋面模型结构层分为钢筋混凝土层、页岩粉煤灰层、挤塑板保温层和水泥砂浆层。为揭示青藏铁路沿线房屋屋面防水损伤的机制，对SBS和页岩非固化材料防水结构屋面施加冻融循环、太阳辐射、大风和降雨循环等因素，监测屋面模型钢筋混凝土层、页岩粉煤灰层和水泥砂浆层沿屋面模型长度方向与宽度方向的应变、温度变化。屋面防水结构大尺寸构件模型如图1所示，试验如图2所示。

图1 屋面防水结构大尺寸构件模型

图2 试验示意

2.2.2屋面模型结构层温度分析

成型非固化防水屋面结构钢筋混凝土层、页岩粉煤灰陶粒层、挤塑苯板保温层、水泥砂浆层沿宽度方向布置的传感器采集的温度变化，如图3所示。

图3 沿长向温度变化

图3中两条虚线间表示1次冻融循环，两条虚线间的细实线将1次冻融循环分为2段，前段为-25℃ 冻结过程，后段为20℃融化过程。

在-25℃冻结时，由图中曲线可以得出，随着冻结过程中温度降低，屋面模型水泥砂浆层和挤塑板保温层温度降低较快，页岩粉煤灰层比前两层温度下降趋势缓慢。当屋面模型每层达到最低气温时，每层温度会有一段上升。

在20℃融化时，水泥砂浆层相当于与环境直接接触，从负温迅速回升到正温状态，挤塑板保温层温度随之迅速上升，水泥砂浆层和挤塑板保温层降温与升温曲线基本一致；两层温度在融化阶段有下降趋势，当舱内温度达到15℃时开始升温。钢筋混凝土层和页岩粉煤灰层由于受外界温度变化影响较小，所以温度呈逐渐上升趋势，最后达到稳定状态。

由于水泥砂浆层和聚苯板保温层温度受高低温环境试验舱内温度影响较大，仅取第8次冻融循环时采集的钢筋混凝土层与页岩粉煤灰层温度，对比这两层左侧温度(沿长向传感器采集)与右侧温度(沿宽向传感器采集)，如图4所示。

图4 第8次冻融循环SBS屋面结构层温度

在冻结过程中，由于受风力模拟器的影响，SBS防水层屋面结构左侧钢筋混凝土层和页岩粉煤灰层温度下降比右侧快。在融化过程中，由于刚结束低温冻结过程，左侧温度明显低于右侧温度，但随着高低温环境试验舱内温度上升，左侧温度逐渐超过右侧温度，并一直高于右侧温度。因此，风力对于屋面模型温度的改变是重要因素。

2.2.3屋面模型结构层应变分析

挤塑板保温层只考虑温度，并不考虑应变。成型非固化防水层屋面结构在9次冻融循环作用下，每层结构传感器所测应变如图5所示。图5中两条虚线间表示1次冻融循环，两条虚线间的细实线将1次冻融循环分为2段，前段为-25℃冻结过程，后段为20℃融化过程。

图5 成型非固化防水层屋面结构应变

由图5a可以看出，9次冻融循环每层结构沿宽向应变变化趋势大致一致，在冻结过程中，应变呈先升高后降低的趋势；在融化过程中，钢筋混凝土层和页岩粉煤灰层应变呈先升高后降低的趋势，而水泥砂浆层的应变呈迅速降低然后升高、再降低的趋势，另外钢筋混凝土层和页岩粉煤灰层的曲线走向较接近。随着冻融循环次数增加，水泥砂浆层收缩应变逐渐变大，可以得出，外界环境导致水泥砂浆层出现很大的收缩应变，达到极限时会引起水泥砂浆层开裂，导致渗水。另一方面，水泥砂浆层与防水层紧密连接，水泥砂浆层的收缩应变使防水层产生拉伸效应，进而引起防水材料开裂。

如图5b所示，屋面模型沿长向应变的增长趋势与沿宽向基本一致。随着冻融循环次数的增加，钢筋混凝土层和页岩粉煤灰层的收缩应变逐渐增加，这是由于温度降低，两层结构沿长向的收缩程度较大引起的；水泥砂浆层的拉伸应变逐渐降低，收缩应变逐渐上升，这是因为在冻结刚开始时，冻胀程度引起拉伸应变的影响逐渐减弱，而在融化过程中收缩程度引起的收缩应变影响逐渐升高。

如图6所示，取第9次冻融循环进行分析，通过对比水泥砂浆层沿长向与宽向的应变，可以得出，屋面模型在升温过程中收缩应变出现极大值，沿宽向收缩应变极大值明显高于沿长向收缩应变极大值，因此屋面模型水泥砂浆层开裂极有可能是沿宽向的收缩应变引起的。

图6 水泥砂浆层应变对比

2.2.4屋面模型防水层应变分析

从屋面模型防水层4个应变采集点中选择1个点，取第8,9次冻融循环过程采集的应变进行分析，两种屋面模型沿长向和宽向应变的变化趋势相同。在冻结过程中，应变片测得的沿长向和宽向应变都呈上升趋势，最后趋于波动状态，为拉伸应变。

在冻融循环作用下，成型非固化防水层的应变数值约为SBS防水层屋面应变数值的1.9倍。SBS防水层和成型非固化防水层应变如图7所示。成型非固化防水层的应变数值为水泥砂浆找平层宽向应变的40%左右，为长向应变的11%左右。SBS防水层的应变数值为水泥砂浆找平层宽向应变的20%左右，为长向应变的6%左右。说明试验采取的屋面结构形式做法中，成型非固化防水层与基层水泥砂浆找平层的变形协调性更好。

图7 SBS防水层和成型非固化防水层应变

2.3 屋面防水设计及大修建议

2.3.1屋面防水设计建议

通过分析材料试验和大尺寸模型，防水设计时材料选择应重点考虑以下特性。

1)变形性能 防水材料在冻融作用下不仅自身发生变形，且基层找平层也产生相对变形，同时材料因自然老化变形性能降低，需保证防水材料在合理的大修周期内变形满足需求。

2)低温柔性 青藏高原特殊的气候条件使防水层温度变化不以自然年为单位，在强紫外线、大风、低温、防水卷材吸热等综合作用下产生类似于冻融的作用，同时考虑防水层和找平层在气候作用下可能存在温度变化滞后现象，需考虑防水材料低温柔性。

3)强度和自愈性 由于找平层的应变相对较大，在冻融作用下产生开裂损伤的概率较其他结构层大，需要卷材强度抵抗找平层开裂时的穿刺，同时防水层轻微损伤后可自行愈合。

应适当加大屋面排水坡度，平屋面坡度可按5%进行设计。试验及调研发现，屋面坡度大小对屋面排水影响很大，坡度大的屋面结构排水效果好、积水较少，坡度小的屋面结构排水较差、积水较多。

调研中发现屋面排水系统会加剧防水病害程度，尤其是落水口及天沟部位，设计时需采取冻结落水口及雨水管措施，防止逐步冰冻缩小过水面积或形成冰垅影响排水，建议加大落水口漏斗开口，减少落水管弯头，落水口的设置应考虑日间日照可达到的地方。

2.3.2屋面防水大修建议

从试验结果来看，在冻融作用下，防水结构层中水泥砂浆找平层的应变较下部对钢筋混凝土屋面结构、页岩粉煤灰找坡层大，也比上部防水层大，为提升防水系统服役性能，需改进水泥砂浆找平层。由于倒置式屋面维修不便，加之细石混凝土面层在防水层上，施工时振捣密实度得不到保证，抗渗性能较低，降水会渗入混凝土中，发生冻害，频繁冻胀位移拉裂防水层，导致屋面漏水。因此以正置式屋面做法进行分析，从以下方面改进找平层。

1)加设钢丝网 从试验数据来看，钢筋混凝土结构层的应变相对较小，在保温层作用下冻融影响有所降低，且因钢筋约束变形，屋面找坡中增设钢丝网可加强刚度，减少变形。

2)采用延性较好的砂浆材料 虽然砂浆找平层的变形比防水层大，但防水层为弹性体材料，具有非常大的变形性能，因此找平层需避免开裂，减少冻融循环时产生的裂缝损伤防水层。找平层可采用水泥石灰砂浆或聚合物砂浆。聚合物砂浆由水泥、集料和分散在水中的有机聚合物搅拌而成，具有防水抗渗效果好、黏结强度高、耐高湿、耐老化、抗冻性好的特点。在水泥砂浆或聚合物砂浆中掺入聚合物乳液成本增加约300元/m3，按照20mm厚找平层进行计算，每平方米增加成本6元，属于可接受范围。

3)适当加密变形缝间距 可在找平层设置变形缝施放因冻融产生的变形。变形缝宽度宜为20mm,采用沥青胶泥或聚氨酯密封胶嵌缝，变形缝间距需依据防水层与找平层间的变形差距与防水材料性能进行分析确定，但应≤6m。施工变形缝处的防水层应以卷材空铺搭桥的方式进行加强，避免变形缝磨损防水层。

2.3.3屋面防水大修规则建议

《铁路运输房建设备大修维修规则》附表中，屋面使用年限在25年内的综合维修周期为10年，但青藏线由于自然气候条件特殊，经过统计分析，青藏线格拉段的大修周期宜为5～6年，因此建议将该段大修周期缩短至6年。房屋、构筑物维修内容及标准没有考虑自然气候条件对维修工艺和标准的影响，对格拉段大修的指导意义受限，故维修规则需根据格拉段特点进行补充，尤其是调整维修周期，维修工艺应考虑格拉段自然气候条件的影响，将无人化监测纳入检查方法中。

3 钢结构涂层病害损伤机制

钢结构模型以青藏铁路格拉段房建工程的钢结构雨篷为原型，对钢结构喷涂底漆进行防锈处理，底漆采用环氧富锌漆1遍，环氧云铁中间漆2遍；面漆采用氯化橡胶漆2遍，在室外弱侵蚀性环境进行。防锈底漆喷涂完并养护一定时间后，喷涂或刷涂薄型和超薄型防火涂料，喷涂设置3种压力，以研究不同喷涂压力对防火涂料黏附性能和抵抗外界不利环境的能力。防火涂料喷涂完全按规范要求，首先进行相容性试验，经检验两种防火涂料与底漆相容性良好，然后分多遍进行喷涂和刷涂施工，其中薄型防火涂料喷涂5mm，超薄型防火涂料喷涂2mm。

将4种钢结构涂层(薄型+喷涂+喷涂机正常喷涂压力、薄型+刷涂、超薄型+喷涂+喷涂机正常喷涂压力、超薄型+刷涂)和3种材质制作的天沟(镀锌板、304不锈钢板、316不锈钢板)移入高低温环境试验舱中，施加太阳辐射、大风、降雨和冻融循环模拟高原环境气候条件，观测钢结构涂层的病害演化过程。

目前在9次冻融循环作用下，3种材质的天沟表面未生锈。通过观察H型钢表面变化情况，发现薄型防火涂料(正常喷涂压力和刷涂)并未出现涂层剥落、起泡和爆裂问题，而超薄型防火涂料(正常喷涂压力和刷涂)表面都出现裂缝。超薄型防火涂料焊缝处裂缝如图8所示。超薄型防火涂料刷涂方式下的裂缝如图9所示。超薄型防火涂料喷涂方式下腹板处裂缝如图10所示。

图8 超薄型防火涂料焊缝处裂缝

图9 超薄型防火涂料刷涂方式下的裂缝

图10 超薄型防火涂料喷涂方式下腹板处裂缝

超薄型防火涂料在刷涂和喷涂方式下，钢结构焊缝处的防火涂料表面均产生裂缝，是由于焊缝处喷涂和刷涂存在施工薄弱处，焊缝处的防火涂料并不能完全保证厚度均匀，不能充分黏结，因此在冻融和太阳辐射等不利条件下产生裂缝。

试验中刷涂防火涂料的裂缝大部分呈竖向且分散性分布，裂缝大部分是竖向分布，而喷涂防火涂料的裂缝呈放射状分布，这是由于施工过程中，防火涂料经喷枪呈雾状均匀喷射到钢结构表面，使得一次施工完成后的防火涂料整体性较好，产生裂缝时呈均匀放射状，而由于刷涂方向变动和不均匀性，导致防火涂料整体性较差，裂缝位置较分散，趋于刷涂方向。因此，施工过程中建议采用喷涂方法。另一方面原因为正负温交替变化，导致钢结构和防火涂料膨胀与收缩变形，从而产生裂缝。正温时雨水喷雾中少量水分进入防火涂料中，当负温时水分结冰体积变大，引起胀裂；太阳辐射使防火涂料表面一直处于高温，不仅降低防火涂料的黏附力，且正温喷雾时，防火涂料被润湿，表面高温使水分迅速蒸发，导致表面开裂。风将防火涂料的水分迅速带走导致裂缝。

4 给排水管道病害损伤机制

以青藏铁路格拉段房建工程给排水管道系统为原型，加工给排水管道大尺寸构件(管道内充满水，有集水井)，将构件埋设于可三向控温的模型试验槽土层内，考虑地层分层、管道接口、保温和地下水位等因素，在模型构筑过程中布设温度、水分传感器。模型加工完成后，置于高低温环境试验舱内，施加环境温度、底板温度和地下水等因素，观测给排水管道内外、土层温度、水分及病害演化过程。管道布置如图11所示，模型槽剖面如图12所示。

图11 管道布置

图12 模型槽剖面

管道外包保温材料为工况1；工况2～4是在工况1的基础上，利用热媒控制管道内温度分别为1，3，5℃工况1～4均采用聚氨酯、酚醛泡沫保温。

选取模型中心位置，提取工况1不同天数土体地温随深度变化的计算结果，对比现场监测数据，以验证地温传递情况和模型可靠性，如图13所示。分析计算周期内的110d(地表温度全年最高时刻)、200d(地表正温变负温时刻)、270d(地表温度全年最低时刻)计算结果发现，在深度1～2m的计算值与实测值存在一定差异，主要由于此深度为管道埋设深度，对地温传递产生一定影响，但误差未超过0.5℃，因此，计算结果可信，模型可靠。

图13 地温随深度变化曲线

通过分析发现仅采用管道保温措施时，在土体冻结期内管道温度为负值，即该措施无法保证管道内流体不发生冻结。在管道保温基础上结合管道内流体加热，使管道在冻结期内仍保持正温，具体温度变化情况需结合温度等值线做进一步分析。

不同工况270d(地表温度最低时刻)温度等值线和冻结线如图14所示。图14a，14b中管道热媒维持温度为1℃时，冻结线存在于保温层内，可保持管道内温度在1℃左右。随管道温度升高(见图14c～ 14f)，0℃冻结线逐渐过渡到管道周围土体，管道内流体温度可维持正温，不发生冻结。

图14 270d的温度等值线和冻结线

由于管道内设置热媒升温，导致管道周围土体冻结、融化状态发生变化，因此，对兼顾防冻效果和经济效益热媒温度的确定，还需结合管道周围土体的冻胀变形展开分析。

5 服役性能评价体系

5.1 服役性能评价体系建立

构筑物服役性能评价方法基本上分为半定量经验和非确定性分析方法。半定量经验分析法难以采用数学模型，导致结果差异性较大；非确定性分析方法弥补上述缺陷，最具代表性的非确定性分析方法为模糊综合评判法，具有结果清晰、系统性强的特点，能较好解决模糊、难以量化的非确定性问题。同时，仅通过层次分析法结合模糊综合评判法存在未考虑因素层各因素间关系的弊端，使评价结果可信度不高。为此，利用层次分析法(AHP)结合模糊数学理论，在充分考虑所有影响服役性能因素的基础上，基于系统可靠度评价和分析青藏铁路格拉段房建工程服役性能。

影响青藏铁路格拉段房建工程服役性能的因素很多，具有模糊、难以量化的特点，符合模糊数学理论要求。采用模糊综合评判法，即模糊数学理论，对该房建工程服役性能进行评价和分析的关键步骤之一就是建立全面性、模糊性和层次性的评价指标体系，建立病害类型为准则层，如图15所示。

图15 服役性能评价体系

5.2 屋面防水技术性能评价体系建立

影响屋面防水服役性能的主要方面为准则层，准则层的具体病害特征为因素层(隶属于准则层)的服役性能评价指标体系，如图16所示。

图16 屋面防水技术性能评价体系

对喷涂速凝防水涂料、成型非固化防水涂料、喷涂&成型非固化、SBS防水卷材运用层次分析法进行分析，如图17所示。

图17 层级结构模型

判断矩阵以4种防水做法的适用性试验结果为主要参考，其中温差主要考虑拉伸性、不透水性；低温主要考虑弯折性和低温柔性；强风考虑黏滞性；紫外线考虑耐候性，结合专家打分进行确定。通过分析计算，准则层权重如表2所示。年冻融循环次数C12权重为0.403 8，紫外线强度C41权重为0.149 5， 日温差C11权重为0.134 6，瞬时大风频次C32权重为0.133 5，风力等级C31权重为0.066 8，年低温C21权重为0.054 6，年日照天数C42权重为0.029 9，年低温天数C22权重为0.027 3。喷涂&成型非固化权重为0.378 9，SBS防水卷材权重为0.273 3，喷涂速凝防水涂料权重为0.231 5，成型非固化防水涂料权重为0.116 2。

表2 准则层权重

根据综合评价，4种防水方案在青藏铁路格拉段房屋建筑工程中的适应性顺序为喷涂&成型非固化>SBS、防水卷材>喷涂速凝防水涂料>成型非固化，与试验结论一致。

6 结语

青藏铁路沿线房建工程病害问题是由材料性能、工艺特点、使用状态、特殊自然气候条件等综合作用导致的。病害类型多、发生机制复杂，温差、低温、强风、紫外线及冻土作用使房屋病害频发。通过对青藏线格拉段病害采取调研、大尺寸试验、数值仿真模拟等手段，揭示部分病害产生的根源，以构建服役性能评价体系。在屋面防水病害研究的基础上，进一步完善钢结构涂层、给排水管道、外围护体系病害的研究，揭示病害产生机制，提出维修建议。