地鐵工程地下水資源回收利用系統研究

李紅剛，魏 剛

（中國電建集團鐵路建設有限公司，北京 100044）

當前制約我國經濟社會發展的重大問題是資源、能源的日益緊張對我國的可持續性發展構成了威脅，并且經濟發展中資源浪費過于嚴重，資源利用率和經濟效益低下。近年來，隨著全國城市規模的擴大，水污染日益嚴重，城市水資源匱乏的矛盾日益加深，未來人口將進一步向都市圈、城市群集中，使原本有限的水資源更加緊缺，缺水城市范圍將不斷擴大，缺水程度日趨嚴重[1]。我國缺水城市的增幅大致與城市化進程保持一致。缺水對城市發展的影響是難以估量的，水資源決定著城市發展的快慢，甚至決定著城市的定位。然而目前在地鐵項目建設過程中，大量的地下水不加節制地被排入城市排水系統，人為造成了巨大的水資源浪費，且直接增加了施工臨時用水的成本。為此，文章以福州地鐵5號線2標吳山站為例，通過一種地下水資源回收利用自動控制系統，在地鐵車站明挖基坑中設置降水井（淤泥地層真空降水），降水井水資源收集裝置對基坑內地下水進行收集，然后將水輸送至儲水器，儲水器通過多級泵送動力裝置及分級水流通管路將回收的水資源分別輸送給相應的水利用裝置進行利用，用于圍擋噴淋、混凝土養護、路面沖洗等，達到了預期節水效果。

1 工程概況

福州市屬亞熱帶季風氣候，夏長冬短，無霜期達326d，年平均日照數為1700～1980h，年平均氣溫為20～25℃。最冷月是1—2月，平均氣溫達6～10℃；最熱月是7—8月，平均氣溫為33～37℃。因此，當地工程施工中用水量較大。

福州地鐵5號線2標吳山站為地下二層島式站臺車站，車站規模432.4m×23.5m（外包），其中北端頭盾構井凈寬36.4m、南端頭井凈寬35.9m，車站結構占地約12167m2，設置3個出入口、3組風亭；主體基坑總長度為432.4m，標準段寬度為23.5～30.8m，車站基坑開挖深度為16.95～18.55m；主體結構采用鋼筋混凝土箱型結構，圍護結構為地下連續墻。

2 節水措施可行性

2.1 節水設計可行性

（1）基坑總涌水量。該站場地下水主要為賦存于粉細砂、中砂、中細砂層中的潛水，潛水水位較高，水量較大。基坑設計開挖深度為16.95～18.55m，地下水位標高4.55～6.29m。按規范要求，基坑地下水位應降至基坑底以下1.5～2m，該工程按2m計，則該工程水位降深為15m。

根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—2012）[2]和《基坑工程手冊》[3]，群井按大井簡化時，基坑涌水量可按均質含水層潛水完整井公式計算，采用“大井法”計算基坑涌水量見圖1。

圖1 按均質含水層潛水完整井簡化的基坑涌水量計算

式中：Q為基坑涌水量，m3/d；k為滲透系數，該工程取25m/d；H為潛水含水層厚度，m，該工程取20m；Sd為基坑地下水位設計深度降深，m，該工程取15m；R為降水影響半徑，m；r0為基坑等效半徑，m。公式出自《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—2012）附錄E。

（2）施工期間用水量分析。施工期用水量計算公式如下：

式中：K1為未預見施工用水系數，取1.15。Qi和Ni隨i的取值不同，意義亦不相同：i=1時，Q1為年度完成混凝土工程量，取41000m3，N1為混凝土養護施工用水定額，為350L/m3；i=2時，Q2為沖洗模板量，按40000m2計，N2為沖洗模板用水定額，為5L/m2。k2為用水不均勻系數，取1.5。T1為年度有效作業日，取240。t為每天工作數，按2臺班。則施工期用水量q1=1.791L/s+0.025L/s=1.816L/s=53.57m3/d。

（3）噴淋用水量計算。該車站圍擋按照1600m計算，每3m安裝1個噴頭，噴淋系統給水采用φ60mmPE管道，1.8m/s經濟流速。按照職業健康管理、環境保護管理相關規定，每天開啟時間不低于6h，則q2=110m3/d。

施工人員用水量（主要包含洗漱、洗鞋臺、沖廁等）計算公式如下：

式中：P為施工現場高峰期人數，取150人；N3為用水定額，取20L/（人·d）；N4為用水不平均系數，取1.5；t為每天工作數，按2臺班。因此，施工人員用水量q3=0.078L/s=6.74m3/d。

由此可估算出一天用水量Q0=q1+q2+q3=53.57m3/d+110m3/d+6.74m3/d=170.31m3/d。每天施工總涌水量遠大于每天施工用水量，滿足要求。

2.2 經營效益

福州地鐵5號線2標共計9站10區間，其中吳山站主體施工階段和盾構施工階段時間取18個月，其中，噴淋系統按照每月22d計算。該站共可節約水資源約76127.4m3，市政用水價格取為2.55元/t（未計算梯度收費額度），則共可節約19.4萬元。由此可測算出，福州地鐵5號線2標段9站10區間如果全部采用地鐵工程地下水資源回收利用系統，可節約水資源685146.6m3，節約水費174.6萬元。

3 節水裝置選用及實施

3.1 節水裝置的比選

傳統地下式節水器是將各井管中的地下水抽至1根DN160水管，DN160水管利用重力自流作用流入泥漿箱[4]。泥漿箱上方設置泄水管，泄水孔應低于DN160管0.2m以上，并與排水溝連接，將多余水量經排水溝排入工地三級沉淀池流入市政排水管網。該節水器優點是蓄水量大，可設置在空閑部位或場外，不占施工作業空間，由于灑水時需要配備水泵或灑水車，因此對流量要求不高；缺點是泥漿箱多設置于地下，節水效率低，運行成本高于地上式節水器，其具體原理見圖2。

圖2 地下式節水器原理圖

地下水資源回收利用系統包括降水井水資源收集裝置、儲水器、分級水流通管路、多級泵送動力裝置和多個水利用裝置。其原理是通過對基坑內地下水進行收集，然后將水輸送至儲水器，儲水器通過多級泵送動力裝置及分級水流通管路，并結合智能化聯動控制器將回收的水資源分別輸送給相應的水利用裝置進行利用（如圍擋噴淋、霧炮噴淋、地面沖洗、混凝土養護）。其優點是儲水器位置設置靈活、方便，空間利用率高，并可以與智能化控制系統配合使用，節水效率高、運行成本低；缺點是對場地條件要求較嚴格，一次投入較地下式節水器大。具體原理見圖3。

圖3 地下水資源回收利用系統原理圖

由于該車站地處繁華區域，文明施工要求較高，且福州夏長冬短，氣溫高（年平均氣溫20℃、年平均最高氣溫24℃、年平均最低氣溫16℃，歷史最高氣溫42℃，最低氣溫-2℃，具體福州月平均氣溫資料見表1），結合施工工期整體安排，施工高峰期在4—11月，施工期間氣溫高、蒸發量大，圍擋噴淋、霧炮抑塵、地面沖洗、混凝土養護用水量相對較大。因此，該車站采用地上式節水器。

表1 福州月平均氣溫資料 單位：℃

3.2 節水器的實施方式

地下水資源回收利用系統由多個井管（插入土體的立管）、臥管（鋪設在地面上用于連接井管和真空泵的PVC管）、真空泵和排水泵（深井泵或潛水泵）組成。多個井管沿基坑四周間隔布設，各井管上端連接臥管，臥管匯總后與真空泵連接，通過真空泵不斷抽氣，使井管形成一定的真空度產生負壓，降水井周邊土內空隙水由高壓向低壓流動，流入井管內。排水泵設于井管內，排水泵出口經進水管與儲水器連接，以將地下水抽出，并輸送至儲水器，由儲水器將水運送至各水利用裝置終端。

該車站降水井井管采用焊接鋼管，壁厚3mm，管徑為219mm。濾管采用鋼管，壁厚3mm，管徑為219mm，孔隙率≥40%，所有濾水管外均包雙層30目的尼龍網，尼龍網搭接部分約為20%～50%，尼龍網包好后用鐵絲捆綁牢實。沉砂管采用鋼管，壁厚3mm，與濾水管同徑，濾水管底部搭接1m沉砂管，防止井內沉砂堵塞影響進水，沉砂管底口用鋼板封死。濾料從沉砂管底至頂部黏土回填區下部均填粒徑2～10mm卵礫石。

在該車站實例中，儲水器采用地上的蓄水桶，儲水器上連接有泄水管，以保證儲水器溢流穩定。泄水管接入基坑周圍的排水溝，從而將儲水器溢流出來的水回流至基坑周圍的排水溝，引排至三級沉淀池后排入市政雨水管網。出水口與出水總管連接，出水總管設置多個支管，支管分別與相應的水利用裝置連接。出水總管安裝增壓泵，根據各支管所需流量、壓力和輸送距離在相應的支管上設置相應能力的支管增壓泵。在增壓泵啟動前需向泵內注滿水；啟動時需打開出水閥門，減輕電機啟動負荷，避免燒毀電機；當泵使用壓力降低后，可減少泵體和泵蓋間紙墊數量，調節壓力過高會燒毀電機。

該車站水資源利用裝置包括圍擋噴淋裝置、洗車裝置和車站主體結構的養護裝置。洗車裝置、養護裝置前的支管上分別設有增壓泵，以對出水增壓后進行洗車或車站主體結構養護工作。圍擋噴淋裝置前的支管上不設增壓泵，直接在圍擋噴淋裝置前設置一個壓力調節閥來進行車站圍擋內自控噴淋。

4 結論

（1）福建省夏季時間長、氣溫高，施工用水大，采用此地下水資源回收利用系統具有很大的節能潛力，文章所述的措施推廣至福州地鐵5號線2標段9個地鐵車站，共計節約用水685146.6m3；節約水費174.6萬元。

（2）采用的新型地上式節水器較好地利用了空間，并與智能化自動控制系統配合使用，施工期內未發生因揚塵治理問題引起的群眾投訴事件，且有效減少了因混凝土養護不到位產生的裂縫等質量問題，可為以后類似工程提供參考。

（3）城市基礎工程建設過程中地下水資源抽排的浪費行為在一定時期內還會繼續存在，如何有效地對地下水資源進行管控，是對城市管理者的考驗。文章闡述的地下水資源回收利用系統節能潛力巨大，對于我國類似福建沿海等富水砂卵石地層、淤泥質地層的地鐵深基坑施工過程中采用降水井進行降水的工程項目具有很大的推廣價值。