地铁工程地下水资源回收利用系统研究

李红刚，魏 刚

（中国电建集团铁路建设有限公司，北京 100044）

当前制约我国经济社会发展的重大问题是资源、能源的日益紧张对我国的可持续性发展构成了威胁，并且经济发展中资源浪费过于严重，资源利用率和经济效益低下。近年来，随着全国城市规模的扩大，水污染日益严重，城市水资源匮乏的矛盾日益加深，未来人口将进一步向都市圈、城市群集中，使原本有限的水资源更加紧缺，缺水城市范围将不断扩大，缺水程度日趋严重[1]。我国缺水城市的增幅大致与城市化进程保持一致。缺水对城市发展的影响是难以估量的，水资源决定着城市发展的快慢，甚至决定着城市的定位。然而目前在地铁项目建设过程中，大量的地下水不加节制地被排入城市排水系统，人为造成了巨大的水资源浪费，且直接增加了施工临时用水的成本。为此，文章以福州地铁5号线2标吴山站为例，通过一种地下水资源回收利用自动控制系统，在地铁车站明挖基坑中设置降水井（淤泥地层真空降水），降水井水资源收集装置对基坑内地下水进行收集，然后将水输送至储水器，储水器通过多级泵送动力装置及分级水流通管路将回收的水资源分别输送给相应的水利用装置进行利用，用于围挡喷淋、混凝土养护、路面冲洗等，达到了预期节水效果。

1 工程概况

福州市属亚热带季风气候，夏长冬短，无霜期达326d，年平均日照数为1700～1980h，年平均气温为20～25℃。最冷月是1—2月，平均气温达6～10℃；最热月是7—8月，平均气温为33～37℃。因此，当地工程施工中用水量较大。

福州地铁5号线2标吴山站为地下二层岛式站台车站，车站规模432.4m×23.5m（外包），其中北端头盾构井净宽36.4m、南端头井净宽35.9m，车站结构占地约12167m2，设置3个出入口、3组风亭；主体基坑总长度为432.4m，标准段宽度为23.5～30.8m，车站基坑开挖深度为16.95～18.55m；主体结构采用钢筋混凝土箱型结构，围护结构为地下连续墙。

2 节水措施可行性

2.1 节水设计可行性

（1）基坑总涌水量。该站场地下水主要为赋存于粉细砂、中砂、中细砂层中的潜水，潜水水位较高，水量较大。基坑设计开挖深度为16.95～18.55m，地下水位标高4.55～6.29m。按规范要求，基坑地下水位应降至基坑底以下1.5～2m，该工程按2m计，则该工程水位降深为15m。

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）[2]和《基坑工程手册》[3]，群井按大井简化时，基坑涌水量可按均质含水层潜水完整井公式计算，采用“大井法”计算基坑涌水量见图1。

图1 按均质含水层潜水完整井简化的基坑涌水量计算

式中：Q为基坑涌水量，m3/d；k为渗透系数，该工程取25m/d；H为潜水含水层厚度，m，该工程取20m；Sd为基坑地下水位设计深度降深，m，该工程取15m；R为降水影响半径，m；r0为基坑等效半径，m。公式出自《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）附录E。

（2）施工期间用水量分析。施工期用水量计算公式如下：

式中：K1为未预见施工用水系数，取1.15。Qi和Ni随i的取值不同，意义亦不相同：i=1时，Q1为年度完成混凝土工程量，取41000m3，N1为混凝土养护施工用水定额，为350L/m3；i=2时，Q2为冲洗模板量，按40000m2计，N2为冲洗模板用水定额，为5L/m2。k2为用水不均匀系数，取1.5。T1为年度有效作业日，取240。t为每天工作数，按2台班。则施工期用水量q1=1.791L/s+0.025L/s=1.816L/s=53.57m3/d。

（3）喷淋用水量计算。该车站围挡按照1600m计算，每3m安装1个喷头，喷淋系统给水采用φ60mmPE管道，1.8m/s经济流速。按照职业健康管理、环境保护管理相关规定，每天开启时间不低于6h，则q2=110m3/d。

施工人员用水量（主要包含洗漱、洗鞋台、冲厕等）计算公式如下：

式中：P为施工现场高峰期人数，取150人；N3为用水定额，取20L/（人·d）；N4为用水不平均系数，取1.5；t为每天工作数，按2台班。因此，施工人员用水量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。每天施工总涌水量远大于每天施工用水量，满足要求。

2.2 经营效益

福州地铁5号线2标共计9站10区间，其中吴山站主体施工阶段和盾构施工阶段时间取18个月，其中，喷淋系统按照每月22d计算。该站共可节约水资源约76127.4m3，市政用水价格取为2.55元/t（未计算梯度收费额度），则共可节约19.4万元。由此可测算出，福州地铁5号线2标段9站10区间如果全部采用地铁工程地下水资源回收利用系统，可节约水资源685146.6m3，节约水费174.6万元。

3 节水装置选用及实施

3.1 节水装置的比选

传统地下式节水器是将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浆箱[4]。泥浆箱上方设置泄水管，泄水孔应低于DN160管0.2m以上，并与排水沟连接，将多余水量经排水沟排入工地三级沉淀池流入市政排水管网。该节水器优点是蓄水量大，可设置在空闲部位或场外，不占施工作业空间，由于洒水时需要配备水泵或洒水车，因此对流量要求不高；缺点是泥浆箱多设置于地下，节水效率低，运行成本高于地上式节水器，其具体原理见图2。

图2 地下式节水器原理图

地下水资源回收利用系统包括降水井水资源收集装置、储水器、分级水流通管路、多级泵送动力装置和多个水利用装置。其原理是通过对基坑内地下水进行收集，然后将水输送至储水器，储水器通过多级泵送动力装置及分级水流通管路，并结合智能化联动控制器将回收的水资源分别输送给相应的水利用装置进行利用（如围挡喷淋、雾炮喷淋、地面冲洗、混凝土养护）。其优点是储水器位置设置灵活、方便，空间利用率高，并可以与智能化控制系统配合使用，节水效率高、运行成本低；缺点是对场地条件要求较严格，一次投入较地下式节水器大。具体原理见图3。

图3 地下水资源回收利用系统原理图

由于该车站地处繁华区域，文明施工要求较高，且福州夏长冬短，气温高（年平均气温20℃、年平均最高气温24℃、年平均最低气温16℃，历史最高气温42℃，最低气温-2℃，具体福州月平均气温资料见表1），结合施工工期整体安排，施工高峰期在4—11月，施工期间气温高、蒸发量大，围挡喷淋、雾炮抑尘、地面冲洗、混凝土养护用水量相对较大。因此，该车站采用地上式节水器。

表1 福州月平均气温资料 单位：℃

3.2 节水器的实施方式

地下水资源回收利用系统由多个井管（插入土体的立管）、卧管（铺设在地面上用于连接井管和真空泵的PVC管）、真空泵和排水泵（深井泵或潜水泵）组成。多个井管沿基坑四周间隔布设，各井管上端连接卧管，卧管汇总后与真空泵连接，通过真空泵不断抽气，使井管形成一定的真空度产生负压，降水井周边土内空隙水由高压向低压流动，流入井管内。排水泵设于井管内，排水泵出口经进水管与储水器连接，以将地下水抽出，并输送至储水器，由储水器将水运送至各水利用装置终端。

该车站降水井井管采用焊接钢管，壁厚3mm，管径为219mm。滤管采用钢管，壁厚3mm，管径为219mm，孔隙率≥40%，所有滤水管外均包双层30目的尼龙网，尼龙网搭接部分约为20%～50%，尼龙网包好后用铁丝捆绑牢实。沉砂管采用钢管，壁厚3mm，与滤水管同径，滤水管底部搭接1m沉砂管，防止井内沉砂堵塞影响进水，沉砂管底口用钢板封死。滤料从沉砂管底至顶部黏土回填区下部均填粒径2～10mm卵砾石。

在该车站实例中，储水器采用地上的蓄水桶，储水器上连接有泄水管，以保证储水器溢流稳定。泄水管接入基坑周围的排水沟，从而将储水器溢流出来的水回流至基坑周围的排水沟，引排至三级沉淀池后排入市政雨水管网。出水口与出水总管连接，出水总管设置多个支管，支管分别与相应的水利用装置连接。出水总管安装增压泵，根据各支管所需流量、压力和输送距离在相应的支管上设置相应能力的支管增压泵。在增压泵启动前需向泵内注满水；启动时需打开出水阀门，减轻电机启动负荷，避免烧毁电机；当泵使用压力降低后，可减少泵体和泵盖间纸垫数量，调节压力过高会烧毁电机。

该车站水资源利用装置包括围挡喷淋装置、洗车装置和车站主体结构的养护装置。洗车装置、养护装置前的支管上分别设有增压泵，以对出水增压后进行洗车或车站主体结构养护工作。围挡喷淋装置前的支管上不设增压泵，直接在围挡喷淋装置前设置一个压力调节阀来进行车站围挡内自控喷淋。

4 结论

（1）福建省夏季时间长、气温高，施工用水大，采用此地下水资源回收利用系统具有很大的节能潜力，文章所述的措施推广至福州地铁5号线2标段9个地铁车站，共计节约用水685146.6m3；节约水费174.6万元。

（2）采用的新型地上式节水器较好地利用了空间，并与智能化自动控制系统配合使用，施工期内未发生因扬尘治理问题引起的群众投诉事件，且有效减少了因混凝土养护不到位产生的裂缝等质量问题，可为以后类似工程提供参考。

（3）城市基础工程建设过程中地下水资源抽排的浪费行为在一定时期内还会继续存在，如何有效地对地下水资源进行管控，是对城市管理者的考验。文章阐述的地下水资源回收利用系统节能潜力巨大，对于我国类似福建沿海等富水砂卵石地层、淤泥质地层的地铁深基坑施工过程中采用降水井进行降水的工程项目具有很大的推广价值。