泥岩卵石土复合地层盾构渣土电渗脱水试验研究

Experimental Study on Electroosmotic Dewatering of Shield Muck in Sand-Pebble-Mudstone Composite Strata

摘要

在砂卵石泥岩复合地层盾构掘进时将产生大量高含水率渣土，这种渣土不仅运输成本高，而且在运输过程中存在环境污染风险，若直接堆填易导致滑坡等次生灾害，为解决该问题，在盾构渣土外运之前进行脱水处理十分必要。依托成都地铁30号线一期区间盾构隧道工程，以高含水率的砂卵石泥岩复合地层盾构渣土为研究对象，设计真空电渗排水试验装置，并利用该装置开展多工况正交模型试验，分别研究电压、电极间距、初始含水率等主要因素对渣土脱水效果的影响。结果表明：最优工况下，采用真空电渗法脱水后，盾构渣土含水率可由42%降至23.4%，盾构渣土流动度可由18.45 cm降至11.05 cm；在脱水过程中，盾构渣土性状演变呈现显著的含水率依赖性，高含水率渣土在脱水开始12 h后即出现贯穿裂缝；对于渣土残余含水率而言，各影响因素显著性排序为电极间距>初始含水率>电极排布方式>电压。试验验证了采用真空电渗法对盾构渣土进行脱水的技术可行性，相关成果可为类似条件下盾构工区渣土脱水提供参考。

Abstract

A large amount of high-moisture-content muck will be generated during shield tunneling in sand-pebble-mudstone composite strata. Such muck not only leads to high transportation costs and poses environmental pollution risks in transit, but also easily triggers secondary disasters such as landslides if directly stockpiled. Therefore, it is essential to carry out dewatering treatment on shield muck prior to off-site transportation. Based on the shield tunnel intervals of Phase Ⅰ of Chengdu Metro Line 30, this study takes high-moisture-content shield muck from sand-pebble-mudstone composite strata as the research object. A vacuum electroosmotic drainage test apparatus was designed, and multi-condition orthogonal model tests were conducted to investigate the influences of key factors including voltage, electrode spacing and initial moisture content on the muck dewatering performance. The results show that under the optimal working condition, the moisture content of shield muck decreases from 42% to 23.4% and its fluidity drops from 18.45 cm to 11.05 cm after vacuum electroosmotic dewatering. During the dewatering process, the property evolution of shield muck presents an obvious dependence on moisture content, and penetrating cracks appear in high-moisture-content muck within 12 hours after the start of dewatering. In terms of residual moisture content of muck, the order of significance of influencing factors is: electrode spacing>initial moisture content>electrode arrangement mode>voltage. The tests verify the technical feasibility of applying vacuum electroosmosis to dewater shield muck, and the research findings can provide technical references for muck dewatering at shield construction sites under similar geological conditions.

Graphical abstract

关键词

复合地层 / 盾构渣土 / 电渗脱水 / 模型试验 / 含水率 / 真空电渗法

Key words

Composite stratum / Shield muck / Electroosmotic dewatering / Model test / Water content / Vacuum electroosmosis

在全球城市化的高速进程中，城市地下空间的开发规模持续拓展。盾构法因其具备的高效性、安全性以及对周边环境影响小等显著优势，已成为城市隧道建设的首选施工方法^［1-2］。然而，盾构施工不可避免地会产生大量渣土，尤其是在砂卵石泥岩复合地层中，渣土通常呈现高含水率的特性^［3-4］，这类高含水率的盾构渣土不仅后续运输难度大、处置成本高，还极有可能引发环境污染等一系列棘手问题^［5-6］。因此，研发高效且切实可行的渣土脱水技术，已成为当下盾构工程领域亟待攻克的关键难题之一。

在盾构渣土处理技术的发展历程中，早期研究主要聚焦于传统自重脱水方法。韩超等^［7］通过室内试验对废弃泥浆进行脱水处理，发现自重脱水依赖重力促使水分自然渗出，操作相对简便且成本较低，然而其脱水效率极为低下，要显著降低渣土的含水率几乎难以实现。梅崎健夫等^［8］通过试验进一步验证，在复合渣土中，自重脱水效率低下的情况普遍存在，并且采用重力脱水还会导致排水不均匀问题的发生。

除了自重脱水外，机械脱水也是一种常见的渣土脱水方法。机械脱水方法主要包括压滤法和离心法。许金泉等^［9］采用隔膜式板框压滤机作为核心脱水设备，对污水处理厂污泥进行脱水处理，同时配合化学调节，可将处理后的污泥含水率控制在60%以下，但其系统较为复杂，投资和维护成本较高。赵林辉等^［10］对白龙港污水处理厂离心脱水系统进行研究，分析了不同因素对污泥含水率的影响，确定了最佳运行参数，使得污泥含水率可维持在75%~79%，但进泥性质变化时，器械调试会较为复杂。

此外，在渣土中添加絮凝剂，也是一种有效的渣土脱水方法。桑松龄等^［11］采用絮凝联合真空预压法对盾构泥浆进行脱水试验，结果表明，掺入2%的石灰或2‰的阴离子聚丙烯酰胺（APAM）与真空预压联合的方法，可将泥浆初始含水率由97%分别降低至22.54%和27.31%。

近年来，随着工程技术的持续革新，新兴的渣土处理技术不断涌现，其中化学固化技术凭借独特优势逐步进入工程实践。Pongsivasathit等^［12］开展的水泥稳定土力学性能研究表明，水泥与土体发生水化反应生成胶凝物质，可显著增强土体颗粒间的胶结强度，这一研究成果为渣土脱水提供了全新思路。通过筛选适宜的固化剂并优化配比，可改变渣土材料物理力学性质，从而提升脱水效率。石振明等^［13］开展了泥水平衡盾构隧道泥浆固化改性研究，发现10%掺量的复合增强速凝型泥浆固化剂（CERSM）可有效降低泥浆含水率40%~50%。虽然固化剂可以达到降低渣土流动性的目的，但其固化后的渣土中也存在较多化学残留物，这些物质通常无法自然降解，进而限制了渣土的进一步利用。

微生物处理也是一种新兴的渣土处理技术。Guo等^［14］以污水处理厂预处理污泥为基质培养生物絮凝剂产生菌R3，研究发现经碱性-热处理的污泥中生物絮凝剂产量显著提升，且在Ca²⁺协同作用下，对高岭土悬液的絮凝活性高达94.5%。该研究揭示了微生物絮凝剂通过电荷中和与架桥机制实现高效固液分离的作用机理，为渣土脱水提供了绿色生物处理路径。郭俊元等^［15］利用水稻秸秆制备微生物絮凝剂，研究其对污泥脱水性能的影响，并与聚合氯化铝（PAC）复配优化，结果表明，该微生物絮凝剂能改善污泥脱水性能及复配时最佳条件下的脱水效果，优于单独使用时的效果。但用于盾构渣土处理时，相应微生物不易培养，且盾构渣土中微生物生存环境恶劣，缺乏足够养分，处理周期长。

同时，也有部分研究在真空-电渗联合脱水技术领域展开。Shen等^［16］进行真空电渗脱水（Vacuum Electro-Osmotic Dehydration，VEOD）试验，结果表明，真空过滤能快速降低污泥含水率，VEOD技术可有效处理污泥，使含水率降低35%。李少宇等^［17］研究真空电渗处理铜污染太湖底泥的脱水效果，结果显示，金属电极中导电性越好脱水效果越好，电动土工合成材料电极耐腐蚀，排水效率稳定。

综上所述，传统的自重脱水、机械脱水、掺料处理等方法，在应用于砂卵石泥岩复合地层的高含水率盾构渣土时，均存在效率低、效果差或成本高等不足。新兴的化学调理和生物处理技术，也面临药剂污染、处理周期长等难题。已有的真空-电渗联合脱水技术主要应用于污泥脱水，该技术对于高含水率的泥岩卵石地层盾构渣土的脱水效能及影响因素尚不明确。

本文以砂卵石泥岩复合地层盾构渣土为研究对象，开展真空-电渗联合脱水正交试验研究。系统分析电压、电极排布等关键控制因素对脱水效果的影响，相关研究成果可为砂卵石泥岩复合地层盾构渣土的脱水提供参考。

1 依托工程概况

成都轨道交通30号线一期工程高碑坝出段线区间盾构穿越砂卵石泥岩复合地层。该区间隧道地质断面如图1所示。现场钻孔揭示，卵石土呈灰黄色、褐黄色，卵石含量占比60%~75%，粒径2~9 cm，泥岩呈紫红色、褐红色，主要由黏土矿物组成。盾构在砂卵石泥岩复合地层掘进时，为防止刀盘结泥饼，需不间断地向开挖仓内注水，这导致开挖产生的盾构渣土含水率较高。

为获取依托工程盾构隧道渣土的含水率、液限含水率及塑限含水率等参数，在工程现场渣坑内对砂卵石泥岩复合地层盾构渣土进行了取样。然后，根据土工试验方法标准^［18］对渣土的相关水理特征参数进行了测试，结果见表1。

由表1可知：砂卵石泥岩复合地层盾构渣土的渗透系数为4.2×10^-5 cm · s^-1，这说明渣土具有弱渗透性^［19-20］；盾构渣土含水率为38.2%，远高于其液限含水率28.7%。因此，渣土运输过程中为防止溢漏，运输成本大幅提高。并且这种高含水率渣土若直接集中堆填，还存在安全隐患。综上，出于安全和环保两方面考虑，对盾构渣土进行脱水处理十分必要。

2 盾构渣土脱水机理及影响因素

2.1　真空-电渗脱水机理

盾构渣土颗粒间的空隙内被水和气填充，且与大气连通，此时黏土中孔隙水压力等于大气压力。当开始抽真空后，真空泵会将管道内的气体抽出，管道内气体压强开始下降，管道内与大气压强形成压差，此压差称作真空度。随着真空度的增加，管道内形成的负压差会向渣土内部传递，使渣土内部孔隙水压力减小，以形成负的超静孔隙水压力，从而促使渣土内部的水向管道排出^［21］。

水分子是由2个氢原子和1个氧原子构成的极性分子。盾构渣土颗粒表面带有负电荷，在渣土颗粒表面负电荷的吸引下，极性水分子会定向排列分布并在渣土颗粒表面，形成紧密的斯特恩（Stern）电层，在该电层外部会形成扩散层。施加外电场后，扩散层和自由孔隙水中的可交换阳离子会由阳极向阴极运动，阳离子在运动过程中会拖拽极性水分子由阳极向阴极移动，从而使水从阴极排出^［22-23］，电渗原理示意如图2所示。

2.2　渣土脱水影响因素

1）电压

许多学者指出，电渗流速与电场强度成正比，电压越大，电渗流速越大，且电化学加固作用也越明显^［23］。然而，高电压也可能存在电能利用率低的问题^［24］，综合考虑脱水效果和能耗，在脱水过程中电压应该设定在1个合适的范围。

2）电极排布方式

电极的排布方式决定了土体中的电场强度和分布规律，进而影响土体内电流密度，对电渗排水过程具有重要影响。调研发现，工程应用中电极可能的排布方式包括4种，分别为双排布置、三角形布置、四边形布置及六边形布置等，其示意如图3所示^［25］。图中：蓝色和红色圆点分别代表阴极和阳极。

3）电极间距

电极间距同样会影响土体中的电场强度和分布规律，在相同电势条件下，电极间距越大，电势梯度越小。李瑛等^［26］的研究表明，电极间距越小，电渗排水速率越高，同时阳极处电势损失越小。然而，电极间距过小，可能会增加布置难度。

4）初始含水率

已有研究指出，在软土加固的电渗处理中，土壤含水量必须控制在适当范围内。当含水量过高时，土颗粒会悬浮在溶液中，导致主要发生颗粒电泳；含水量太低时，土颗粒之间孔隙率低，不利于阳离子的迁移，会降低电渗效果。

5）真空度

真空度是指系统中的气体压力低于大气压的程度，通常用于描述真空技术中的压力水平。研究表明，在真空-电渗脱水系统中，真空度越高排水效率越高^［27］。然而，真空度越高，对装置的气密性要求相应越高。

综上所述，影响脱水效果的关键因素包括电压、电极间距、电极布置方式、初始含水率以及真空度等。然而，目前的研究尚未揭示上述因素对脱水效果的影响程度，这给工程应用带来了一定不便。为深入研究上述因素对盾构渣土脱水效果的影响，采用正交试验方法进行室内真空-电渗联合脱水研究。

3 盾构渣土脱水试验装置

为研究真空-电渗脱水过程中各关键因素对脱水效果的影响，课题组研制了1套真空-电渗脱水试验装置，该装置主体部分由底盘、围护装置、电极组成，示意图如图4所示。

试验装置底盘采用亚克力板制作，其上开设了电极限位孔，用于固定电极位置。其中，阴极限位孔贯穿底盘，既起到固定作用，又具有排水功能。当渣土填入渣坑后，一部分水可在自重作用下通过该孔隙排出。围护装置采用立体碎石滤墙设计方案，其骨架由钢筋笼构成，内部填充碎石形成透水结构。这样的设计既能承担围护的功能，又能实现一定的渗水效果。阳极采用直径1 cm的光圆钢筋模拟，阴极采用直径3 cm的中空钢管模拟，将钢管入土部分的侧壁钻设渗水孔，使其兼具真空管和渗水功能。在真空-电渗联合作用下，由阳极流向阴极的水将流入钢管内部，再通过真空泵抽出。试验装置的主要组成部分及整体情况如图5所示。

4 盾构渣土脱水正交试验设计

为了通过有限次试验得到预期结论，采用正交试验设计方法确定试验工况。试验设计考虑了4个因素，分别为电压、电极间距、电极排布方式及初始含水率，每个因素设计了3个水平。采用直流电源，将电压分别设置为15，20和25 V这3个水平。为精确控制电极间距，在装置底盘上开设限位孔，实物如图6所示。电极间距设计为10，15和20 cm这3种情况。通过电压与电极间距的组合，使电势梯度控制在0.75~2.5 V · cm^-1范围内，以保证电渗效率和能耗合理性^［28-29］。

电极布置方式分别考虑双排、四边形、六边形3种布置方式。采用单元分析法研究3种布置方式，所谓单元分析法是指在电极布置范围内选择1个基本单元进行研究。例如，考虑四边形电极布置方式时，将阴极置于中心位置，将4个阳极置于以阴极中心为原点的外接圆上，以此构成四边形电极布置。电极的具体布置方式如图7所示。

渣土初始含水率参考现场取样渣土的含水率范围，分别设置30%，42%，54%这3个水平。正交试验水平及试验工况详见表2。

试验的基本流程如下。

（1）配置渣土试样，并提前调整渣土含水率至设计要求的含水率。

（2）将渣坑置于试验操作平台上，并安放好阴极和阳极，通过鳄鱼夹和导线将电源与电极连通，并确保通过预留在底盘的孔洞将阳极准确定位和固定。

（3）向渣坑内装入渣土，每隔1 h对出水量进行测量，脱水量则储存在集水瓶中（见图5）。同时测量渣土的电势和电流，测点位置如图8所示。

（4）将阴极与真空泵连接，并确保连接处密封，设定好电压及真空度开始试验，每组工况试验总时长为24 h。

5 盾构渣土脱水试验结果

5.1　盾构渣脱水规律

1）渣土性状

试验发现，渣土初始含水率不同时渣土的性状改变有较大差异，以工况2、工况5和工况8为代表性工况进行分析。3个工况的设计含水率分别为42%，30%和54%，为探究脱水过程中渣土性状的变化规律，分别在脱水试验开始前、脱水4，8，12，16和24 h以及拆除围护结构并继续脱水24 h后，测试渣土流动度，测试过程如图9—图11所示。

从图9—图11可以看出：当盾构渣土初始含水率不同时，电渗-真空脱水效果呈现显著差异；具体而言，当渣土初始含水率为54%时，脱水开始后4 h，渣坑壁处变干，阴极中部出现游离水（电渗速率不足导致积水）；脱水开始后8 h，渣土表面游离水消失；脱水开始后12 h，渣坑壁接触处因体积收缩和壁面连接弱化而出现贯穿的裂缝；脱水开始后24 h，渣土继续变干，渣土内部裂缝加宽加深。试验最终测得该工况下渣土的流动度为14.9 cm；当渣土初始含水率为42%时，脱水开始的前8 h，渣土表面变干且无明显大裂缝；脱水开始后12 h，渣土坑壁处出现贯穿裂缝；脱水开始后24 h，渣土表面裂缝进一步加宽。试验最终测得该工况下渣土流动度为13.6 cm；当渣土初始含水率为30%时，由于渣土初始含水率较低，不同时刻脱水量也相对较少，因此不同时刻渣土性状变化不显著。最终状态下，脱水后渣土的流动度实测值为12.0 cm。

上述试验结果表明，盾构渣土的初始含水率越高，在真空-电渗脱水过程中游离水积聚越明显，脱水后渣土裂缝出现越早且更显著；渣土产生裂缝的主要原因是土体体积收缩与界面连接弱化。渣土流动度的测试结果显示，流动度随初始含水率降低而减小。

2）渣土含水率及流动度

渣土的含水率和流动度反映了24 h内渣土脱水的效果。因此，在各个工况试验结束时，对渣土残余含水率和流动度进行了测定。为横向对比各个工况真空-电渗联合脱水的实际效果，绘制了各工况盾构渣土含水率随脱水时间的变化曲线，结果如图12所示。

从图12可以看出：不同工况渣土的含水率下降速率差异特征明显，总体趋势是渣土初始含水率越高，其含水率下降速度越快；具体而言，当渣土初始含水率为30%时，工况1、工况5、工况9的含水率减少量分别为6.03%，5.35%，5.38%，这表明在含水率较小时，电压等控制性因素对脱水的影响相对较小；当渣土初始含水率分别为42%和54%时，工况2、工况6、工况7的含水率减少量分别为15.89%，8.85%，20.71%，工况3、工况4、工况8的含水率减少量分别为17.99%，28.56%，21.55%。试验结果表明，当渣土初始含水率较高时，电压、电极间距及电极排布方式等因素对脱水效果的影响增大，合适的控制参数选择变得尤为重要。

同时，为方便对比分析，图13给出了各工况在脱水24 h后渣土流动度的测试结果。

从图13可以看出：脱水后渣土流动度差异较大；当渣土初始含水率较低时，脱水后渣土流动度也较低；当渣土初始含水率较高时，仅少数工况条件下的渣土流动度能达到较低的水平，例如工况4（初始含水率为54%，电压为20 V，电极间距10 cm、六边形电极排布）和工况7（初始含水率为42%，电压为25 V，电极间距10 cm、四边形电极排布）。分析可知，电极间距大、初始含水率高且电压较低将会显著抑制脱水效果。

3）渣土所受电流及电压

为了分析电流和电压对渣土电渗脱水的影响，在试验过程中对2个特征测点的电压及电流进行了测定，特征测点布置见图8。脱水过程中，电压和电流随时间的变化测量结果分别如图14和图15所示。

从图14可以看出：随着脱水过程的进行，除工况7的测点1电压变化不大之外，其余工况测点1和测点2的电压均随时脱水时间的增加而逐渐降低；该结果显示，绝大多数工况条件下，试验过程实测电压均低于电源提供的电压；考虑到测点1（或测点2）位于距离阳极1 cm的位置，这表明阳极处存在电势损失，由此可推断，在试验过程中所施加的有效电势未能完全达到电源提供的电势水平；随着脱水时间的增加，液体与固体之间的截面电阻也相应增加，进一步导致有效电压随时间衰减，其中工况4电势衰减最为显著，该工况中测点1及测点2的电势衰减幅度分别为65.68%和63.01%。结合图10的结果可知，工况4对应渣土的含水率下降最为显著。因此可以判定，渣土含水率下降对界面电阻的增加有显著影响。

从图15可以看出：随着脱水时间增加渣土内电流也呈衰减趋势，与电压相比渣土内电流衰减更为显著，其中工况1、工况4、工况7、工况8、工况9的测点1和测点2电流衰减幅度均超过60%。该试验结果说明，随着渣土含水率的降低，渣土的电阻增大，其导电性能降低。

5.2　盾构渣土脱水参数显著性

电渗脱水需要消耗电能，进行脱水时需要尽可能地减少能源消耗。因此，有必要对电渗脱水条件下的能源消耗情况进行分析。本次试验根据式（1）计算各工况下的能源消耗系数^［26］。

C=\frac{{\int }_{t_{\mathrm{1}}}^{t_{\mathrm{2}}}UI\mathrm{d}t}{V_{\mathrm{2}}-V_{\mathrm{1}}}（1）

式中：C为能耗系数，kW · h · L^-1；t₁为初始时间，h；t₂为结束时间，h；U为电压，V；I为电流，A；V₁为初速脱水量，mL；V₂为最终脱水量，mL。

各个工况下的渣土残余含水率、流动度以及能耗系数计算结果汇总见表3。

由表3可知：由于受多个因素的综合影响，某1个因素对渣土脱水效果的影响并不直观。

为了对各个影响因素进行排序，引入极差分析法。此时，需计算出渣土残余含水率、流动度以及能源消耗系数3个评价指标在各影响因素各水平下的K_ij 值与k_ij 值。其中，K_ij 为评价指标在第i个因素的第j个水平总值，在数值上等于该因素在第j个水平所做的3组试验结果的平均值之和。k_ij 为K_ij 的平均值，根据式（2）计算。然后，再根据式（3）即可求出在该因素下的极差R_ij。

k_i{}_j=\frac{K_i{}_j}{\mathrm{3}}（2）

R_i{}_j=\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}{k}_i{}_j-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}{k}_i{}_j（3）

渣土残余含水率、流动度以及能耗系数随各因素水平变化及评价指标在各因素下的极差如图16所示。

从图16可以看出：初始含水率对于3个评价指标的影响最为显著（极差越大，表明该因素对评价指标影响越显著）；随着渣土初始含水率的增加，渣土的残余含水率、流动度以及能耗系数均呈现增大的趋势；对于渣土流动度而言，电极间距成为第2重要的影响因素，随着电极间距的增加，渣土的流动度呈现显著增大的趋势，而电压和电极排布方式则是影响流动度的第3和第4因素，但这2个因素的影响程度相对较小且无显著差异；就渣土残余含水率来看，电极间距同样为第2重要影响因素，且随电极间距增加渣土残余含水率同样呈现增大趋势，电极排布方式对残余含水率的影响位列第3，电压则是第4因素，电极排布方式的影响程度略大于电压；至于能耗系数，电压是第2重要的影响因素；随着电压的增加，能耗也随之增加；电极间距排在第3位，其影响趋势表现为先增大后减小；电极排布方式位于第4位，随着电极数量的增加，能耗系数逐渐增加。因此在渣土含水率较低时，从能耗的角度考虑，可采用较低水平的电压以及电极数量较少的电极排布方式，当渣土含水率较高时反之，以保证渣土的脱水效果。

6 结 论

以成都地区卵石土泥岩复合地层盾构渣土为研究对象，采用正交试验设计方法，开展了盾构渣土脱水真空-电渗脱水试验。从渣土性状、残余含水率、排水量、电压、电流等方面研究了综合脱水效果，并探讨了各个主要因素对渣土脱水的显著性影响，得到以下结论。

（1）当采用真空-电渗法对砂卵石泥岩复合地层盾构渣土脱水时，在脱水过程中渣土性状演变与初始含水率相关性最大。当渣土初始含水率较高时，脱水效果更为显著。

（2）室内渣单元体试验结果显示，从渣土脱水效率的角度看，最优工况参数为：电压25 V，电极间距10 cm，电极排布方式为四边形排布。上述工况参数条件下，可使盾构渣土含水率由42%降至23.4%，流动度由18.45 cm降至11.05 cm。

（3）实测电流和电压随脱水过程的变化规律表明，脱水过程中界面电阻动态增长会导致电势衰减（最高达65.68%），这是制约持续脱水效能的关键因素。

（4）正交试验因素显著性分析表明，对于渣土流动度各因素显著性排序为：初始含水率>电极间距>电压>电极排布方式；对于渣土残余含水率各因素显著性排序为：电极间距>初始含水率>电极排布方式>电压；对于能耗系数各因素显著性排序为：初始含水率>电压>电极间距>电极排布方式。

（5）根据影响因素显著性排序可知，从提高脱水效率角度出发，当渣土初始含水率较高时，宜提高电压，加密电极间距；当渣土初始含水率较低时，可适当简化电极布置。

研究得出的结论是基于实验室内1个渣土单元体试验结果得出。实际工程中，若在盾构工区的渣土坑内采用电渗方法进行脱水，有必要对尺寸效应开展进一步研究。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2024YFF0507901)