金志伟，阎长虹，李良伟，杨晓勇，温 亮，范旭阳

(1.南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210023；2.苏州建筑科学研究院集团， 江苏 苏州 215029；3.苏州轨道交通集团股份有限公司，江苏 苏州 215004)

当前在我国许多城市以地铁为代表的地下空间资源开发利用进入快速发展阶段，在隧道施工中，因盾构法具有自动化程度高、安全开挖拼接衬砌、掘进速度快、对地面环境干扰小等优点被广泛应用，但是在盾构施工过程中会产生大量的废弃泥浆。这些泥浆在运输中容易出现抛撒滴漏等环境污染问题，而且泥浆堆放占用大量土地资源。因此在当今越来越重视生态环境保护的新形势下，隧道盾构泥浆处理成为地下工程领域一个新的研究课题。

在盾构施工中为了保证掘进面稳定和施工安全，通常会在泥浆中加入膨润土[1-2]，利于泥浆在开挖面上形成泥膜；同时为了防止细粒土黏住刀具，保持泥浆的塑流性，在泥浆中加入大量的水和多种高分子分散剂和稳定剂。因此盾构泥浆是一种含有多种添加剂的高含水稀泥浆，它具有颗粒细、强度低、渗透性低等特性，盾构泥浆处理成为当前地下工程施工中关键性技术问题。从已有的研究资料来看，目前泥浆泥水分离处理主要是采用一些传统的泥浆处理方法，包括自然沉淀法、微生物处理法、化学固化处理法、化学絮凝固液分离处理法等。在泥水分离设备技术研究方面也取得一定进展，其处理的方法有筛分、离心分离、压滤和真空过滤[3]等。这些研究成果主要是针对钻探或桩基工程中产生的泥浆处理。

为了对盾构施工高含水泥浆进行泥水分离处理，本文尝试引入软土地基加固处理的真空预压法和电渗法来对泥浆进行泥水分离处理。关于真空预压法和电渗法对软土地基加固的研究成果较多，其中真空预压处理高含水软土地基其效果主要受控于土体的渗透系数，渗透性好的地基土其固结处理时间短，效果也好，反之固结时间长，效果差；而电渗法对低渗透性土具有良好的排水效果，电渗法不仅可以排出泥浆中的自由水，还可以排出泥浆中的部分结合水[4]。真空预压-电渗联合处理方面的研究成果也较多，如房营光[5]等通过真空-电渗联合法对渣碱土进行排水，产生明显的效果；王柳江等[6]研究表明在土体高含水率的情况下，真空预压起主要排水作用，待真空预压将土体含水率降至0.85后，再联同电渗法排水效果更好；孙召花等[7]考虑到真空预压与电渗引起水流方向紊乱，采用真空预压与电渗交替加固的方式可以缩短排水的时间；王军等[4]通过自制模型槽，进行电渗法和真空预压法联合加固软黏土地基的室内模型试验，提出真空预压作用下排水基本结束时，进行真空预压和电渗联合作用更为合理。总体来说，软土地基经过真空预压和电渗加固处理，其地基承载力有较大提高，不过地基软土是半无限边界，无法隔离周围地下水的渗入，所以无论是采用真空预压法或电渗法排水还是采用真空预压-电渗联合法排水，处理后的地基土含水率仍然较高，有时工期比较长，成本高，其处理效果难以控制，所以有时施工技术人员一般不愿使用这类处理方法。而盾构施工产生的泥浆一般是通过轨道泥浆车运到地面泥浆池，泥浆无论是在泥浆车中或是在泥浆池中，其边界条件是完全隔离的，因此与软土地基的边界条件、初始状态、渗透性等方面有很大不同，因此，非常有必要开展真空-电渗法进行泥水分离试验研究，探讨其处理效果，解决地铁施工泥浆处理问题。

目前施工人员通常在隧道施工现场采用沉淀法、卧螺离心机脱水、压滤和真空过滤排水等方法对盾构泥浆进行泥水分离处理，经过初步处理的泥浆含水率虽然有较大的下降但仍然很高，不利于运输，容易污染环境。为此本文对初步处理后的泥浆即含水率接近液限的泥浆作进一步的泥水分离试验研究，首先自行研制了真空负压法和电渗法泥水分离试验装置，采用真空负压法、电渗法进行盾构泥浆泥水分离试验，结果显示在土体真空负压处理的开始阶段脱水效果显著，但是到了中后期呈现疲软势态；而电渗脱水效果不受土颗粒的大小影响，不过在含水率较高时，排水速度较慢，处理时间较长；在充分考虑真空负压和电渗特点和优势后，提出采用开展真空负压-电渗联合法泥浆泥水分离试验研究，试验结果显示，经处理后泥浆得到进一步硬化，其含水率接近塑限，可以直接资源化利用。

1 盾构泥浆的基本特征

本次泥水分离试验的泥浆样品取自苏州地铁在建三号线盾构隧道的施工现场，盾构施工土层主要为粉质黏土夹少量粉土。泥浆粒度成分累积曲线如图1所示，从图中可以看出泥浆粒径分布范围都在0.25 mm以下，泥浆颗粒组成黏粒含量为28.13%，粉粒含量为58.45%，砂粒含量为13.42%，泥浆颗粒以粉粒和黏粒为主，含有少量的砂粒。其中d60=0.016 5，d30=0.005 5，d10=0.002 0，故其均匀系数Cu=8.07，曲率系数Cc=0.90。泥浆级配为不良，土粒粒径分布较宽，土粒不均匀，大颗粒形成的孔隙有足够的小颗粒充填，因此造成泥浆的渗透性较差，不利于泥浆中水分的排出。

图1 试验泥浆粒度成分累计曲线图Fig.1 Accumulation curve of the test slurry particle size component

泥浆基本物理性质如表1所示,将现场取得的高含水的泥浆放入沉淀池进行初步处理，让其泥浆中的自由水部分排出，对初步处理后泥浆共取了5批次，其含水率如表2所示，从表2可以看出初步处理后的泥浆含水率小于或接近液限。

表1 试验土样的基本物理参数

表2 初步处理后泥浆含水率

由表2可以看出，经过初步处理的泥浆含水率仍然较高，具有一定流动性，不利于泥浆的安全运输，在运输过程中容易造成污染，而且送到堆场堆放高度受限，占地面积大，也容易发生滑塌或泥流灾害，危害性很大。

2 泥浆脱水的机理

2.1 真空负压的机理

泥浆在进行开敞式真空负压排水试验前，泥浆孔隙中充满水和气，并与大气连通，泥浆处于水气平衡状态，因此有：

u0=pa

(1)

式中：u0——泥浆中原有的孔隙水压力；

Pa——标准大气压力值。

泥浆开始抽真空后，泥浆孔隙通道任一点处的压力可表示为：

u1=pa-pv

(2)

式中：u1——抽真空后孔隙通道内任意点处的压力；

pv——孔隙通道内任意点处的真空度。

土体中水流动的驱动势能由压力水头梯度和位置水头梯度控制，土体中任一点水头的表达：

(3)

根据式(1)、式(3)可得，抽真空前泥浆任一点的水头表达式：

(4)

根据式(2)、式(3)可得，抽真空后泥浆通道等高度处任一点的水头表达式为：

(5)

水的渗流速度表达式为：

v=K(J-J0)

(6)

式中：v——渗流速度；

K——渗透系数；

J——水力梯度；

J0——起始水力梯度。

水力梯度的表达式：

(7)

式中：L——渗流路径；

H——渗流路径L上的水头差。

根据式(4)～(7)可得：

(8)

抽气前，泥浆内的孔隙水压力保持静态平衡，孔隙水为一等势体，无水流动。抽气后，泥浆孔隙内的气体分子密度降低，孔隙内的压强不断减小，在大气压强的作用下，外界的气体分子不断涌入泥浆的孔隙之中，逐渐在泥浆中形成大的小孔隙通道交互的连通网络。在总应力不变的情况下，真空度的传递使得孔隙通道内形成负的超静孔隙水压力。由于试验中泥浆的含水率接近液限，泥浆孔隙中的水大部分为结合水，具有一定的黏滞阻力，当泥浆中的水力坡度大于起始水力坡度，即v>0，泥浆孔道中的真空度pv>J0pwgL时，泥浆中的水在水头差的作用下向孔隙通道渗流。当泥浆中的真空度pv增加时，向孔隙通道渗流的位置由近及远地向距通道边缘较远的点延伸。泥浆的抽真空表面为恒定的负压边界，负压边界与外界形成的压强差最大,在压强差的作用下气体分子沿着孔隙通道不断地向负压边界运移。气体分子在运移的过程中会对流向孔隙通道内的水分子产生推力和拖曳力，使得水分子向泥浆的负压边界运移。因此，真空负压对泥浆排水分为两个过程：一是泥浆中的水在水头差的作用下向孔隙通道渗流；二是流向孔隙通道的水在压强差的作用下向负压边界运移。真空负压对泥浆排水过程中的总应力没有增加，根据有效应力原理，土中有效应力的增量等于孔隙水压力的减少量。则抽真空作用形成的泥浆中有效应力的增量为pv。

2.2 电渗的机理

水是极性分子，易和孔隙水中溶解的的阳离子形成水化阳离子。黏土矿物由于晶格中的同晶置换作用，其表面通常带有负电荷，靠近颗粒表面的极性水分子和水化阳离子因受到较强的静电引力作用而被土颗粒牢牢吸附，形成固定层。在固定层外的极性水分子和水化阳离子受到的静电引力较小，在渗透力和热运动的影响下有向外扩散的趋势，形成扩散层。当黏粒-水界面上形成双电层时，在电场中存在两种电位：热力电位，为黏土矿物与水界面上的电位，其数值受电位离子总数决定；动电电位，为固定层与扩散层界面上的电位，其数值由电位离子与固定层中反粒子总数之差决定[8]。

固定层被土颗粒牢固吸附，可看作固体颗粒的一部分，因此固定层的运动速度为零。自动电电位开始，水化阳离子在电场作用下速度逐渐增加，直到电位等于零处，离子的速度达到最大，在这之后保持不变。

假设在双电层中外加电场的方向平行于固定层与扩散层的分界界面，取扩散层中1个体积单元，面积为A，厚度为dx，距离颗粒表面的长度为x，该处的电荷密度为ρ，电压梯度为i，黏滞系数为η，则作用在该体积单元上的电场力：

dF=iρAdx

(9)

根据牛顿黏滞力公式，该体积单元所受两侧流体的黏滞阻力：

(10)

-df——体积单元所受的黏滞阻力，为负数，表示与电场力方向相反；

v——体积单元处的速度。

当电渗流处于稳态时，体积单元所受的电场力和黏滞阻力相平衡，由式(9)、式(10)可得：

(11)

根据静电学理论，双电层中的电势φ服从泊松分布：

(12)

式中：ρ——体积电荷密度；

ε——介质的介电常数。

由式(1)、式(12)可得：

(13)

对式(13)进行两次积分可得：

(14)

(15)

边界条件：在双电层之外，有：

(16)

在动电电位处有：

φ=ζ，v=0

(17)

式中：ζ——动电电位。

把式(16)代入式(14)、式(17)代入式(15)中可得：

(18)

把式(18)代入式(15)中可得电渗的渗流速度：

(19)

从式(19)式中可知双电层中在等电势处，电渗渗流速度的影响因素有介电常数、电压梯度、黏滞系数及动电电位。试验中介电常数、电压梯度及黏滞系数通常较为稳定，动电电位是表征颗粒表面结合水膜厚度和扩散层厚度的主要指标，动电电位由扩散层中的离子来补偿,因此扩散层中阳离子的浓度决定了动电电位的大小。通过在泥浆两端加入电极而将原有的静电平衡打破，孔隙水中的水化阳离子拖曳极性水分子向阴极运移。因此，电渗时扩散层的厚度减小，动电电位降低。在等电势处，电渗的渗流速度呈下降的趋势。当外加电场对体积单元中水化阳离子的电场力小于所受两侧流体的黏滞阻力时，电渗结束。

3 试验设计

3.1 试验装置

图2 电渗-真空联合排水试验装置图Fig.2 Vacuum negative pressure incorporated with the electro-osmosis drainage test device

试验采用了自主设计的竖向真空电渗联合处理泥浆排水的圆柱形试验箱，如图2所示。试验箱的尺寸为180 mm×160 mm (直径×高)。模型箱底部设置有密布的小孔，起到阴极排水的作用。真空装置采用额定功率为370 W的真空泵，电渗装置包括电极和36 V的稳压直流电源。阳极是直径140 mm的铁片，用一物体放至在铁片的上部，保证泥浆与铁片保持良好的接触。阴极是细铁丝组成的铁丝网，用纱布包裹放置在阴极部位。

图3 室内试验装置Fig.3 Indoor experiment device

3.2 试验方案

为了找出真空负压与电渗联合的最优泥水分离方案，制定了以固定时间间隔的试验方案，这里采用含水率低于液限的泥浆，如表3所示。采用5组等质量(6.83 kg)的泥浆分别开展了电渗、真空负压、电渗+真空电渗、真空+真空电渗、真空电渗联试验。每组试验以排水时间80 min作为试验结束条件。

表3 真空与电渗不同组合形式试验方案

4 试验结果与分析

4.1 排水类型的变化

泥浆中的孔隙水在黏粒的静电引力、分子引力、氢键等吸附力作用下，在黏粒表面形成结合水膜。根据吸附的水分子与颗粒结合能的大小，结合水可分为吸附结合水、次定向吸附结合水与渗透结合水[8]。在土质学中，次定向吸附结合水与渗透结合水的分界含水率对黏性土来说是塑限(WP)，渗透结合水与自由水的分界含水率为液限(WL)[9-10]，即液塑限含水率是黏土中开始出现自由水和渗透结合水的界限含水率。根据泥浆中水的黏滞性不同，孔隙水排出的优先级为自由水>渗透结合水>次定向吸附结合水>吸附结合水。

本次试验采用含水量接近液限的泥浆，泥浆中孔隙水主要以结合水的形式存在。泥浆中渗透结合水与黏粒的连接较弱，是结合水向自由水过渡的一层水，因此真空负压或电渗对泥浆排水时，即在强制条件下泥浆孔隙中的渗透结合水可以转化为自由水排出，结合水膜变薄，结合水与黏粒的结合能持续地变大，排水速率不断地减小。在排结合水的过程中，颗粒骨架和双电层中未被排出的结合水承担有效应力，渗透结合水转化成的自由水承担孔隙水压力。

泥浆真空-电渗联合作用泥水分离试验结果如图4所示，从图中可以看出，当试验进行到120 min时，泥浆含水率降到19.48%，大于泥浆次定向吸附结合水的界限含量15.9%，大于泥浆吸附结合水界限含量的14.08%(根据经验公式WG=0.885WP[11])。说明真空-电渗联合对泥浆排水时，排出泥浆中的自由水和渗透吸附结合水，而受范德华力吸附偶极水分子形成的次定向吸附结合水未能排出，显然受共价键和静电引力控制的吸附结合水很难排出。

图4 含水率时程曲线Fig.4 Variation of moisture content with time

从图4中还可得出，电渗对泥浆渗透结合水的排水效果比真空负压更加显著，电渗对泥浆中黏粒双电层的影响深度可达吸附结合水与渗透结合水的分界界面，而真空负压只能脱离黏粒双电层中渗透结合水外缘的水分子。因此对相同质量、相同含水量的泥浆而言，真空-电渗法决定了泥浆排水量的上限，真空负压法决定了泥浆排水量的下限。

4.2 电流变化

在泥浆真空-电渗联合作用的泥水分离试验中，对电渗的电流强度进行了监测，其结果图5所示。图5的电流强度变化曲线为电渗过程中电路的实时电流强度的变化特征，大致分为三个阶段。第一阶段为短暂的上升，主要原因是外加电场打破了泥浆孔隙中离子的平衡状态，水化阳离子拖曳水分子向阴极运移，水分子运移时在泥浆中开辟了新的贯通型孔隙通道，使泥浆导电路径增多，从而导致了电路中的电流增大。第二阶段为电流的下降阶段，主要由于四个原因造成的：一是由于泥浆中水的排出，泥浆中的水化阳离子聚集在阴极或伴随着水排出泥浆，泥浆中运移水分子载体的减少导致电流降低；二是泥浆颗粒中的双电层的厚度减小，水分子受静电引力作用增强，水体的黏滞性增强；三是电渗时，阴极发生水解反应产生的氢气和聚集在阴极的水增大了泥浆的界面电阻；四是颗粒骨架在有效应力的作用下，颗粒间距减小，导致了泥浆中孔隙通道的压缩甚至闭合，泥浆中导电路径受阻，电流强度值减小。第三个阶段为电流的稳定阶段，电流仅为0.05 A，这时电渗过程基本结束，泥浆中的渗透结合水已基本排出。

图5 电流强度变化曲线Fig.5 Curves of current intensity

4.3 排水量

排水量是衡量泥浆排水方法优劣的最直接的评价指标，也是试验中最重要的记录数据。各组试验的排水量曲线如图6所示，试验时间内真空排水量51 mL，低于电渗排水量77 mL，这主要由两点原因：一是试验泥浆的主要成分为粉质黏土，泥浆的含水率低，泥浆中的孔隙水主要以结合水形式存在，由于结合水具有黏滞性，排水速度比自由水慢。泥浆的电渗是主动排水，当单元水体包含的水化阳离子所受的电场力大于单元体所受两侧的黏滞阻力时，阳离子会拖曳水分子向阴极运移，这个过程不仅发生在自由水当中也发生在双电层中。二是真空负压试验中，泥浆中流体的运移动力是通过压差引起的水力渗流，电渗试验过程中，泥浆中水的运移动力是电场作用的电渗流。从表1中可知，试验泥浆的水力渗透系数kh=8.37×10-6cm/s，因此由真空所引起的水力渗流在泥浆中较小，所以排水速度较慢。而试验中泥浆的电渗渗透系数ke=5.18×10-5cm2/sV，若要产生与试验中的单位电势梯度ie=2 V/cm相同的排水速率，水力坡度必须为ih=ie·ke/kh=12，因此对低水力渗透系数的泥浆而言，较小的电势梯度就产生较大的孔隙水渗流，而真空负压要实现相同的孔隙水渗流则需要进一步提高真空泵的功率。

图6 各组试验排水量曲线Fig.6 Drainage curves of five tests

从图6可知，真空-电渗联合作用排水量为95 mL，比真空负压或电渗单独作用效果好。这是因为单独进行真空负压试验时，由于泥浆的级配不良以及低渗透性易形成淤堵效应，阻碍泥浆中真空度的传递。因此设计试验时使得抽真空边界和电渗的阴极重合，电渗流向阴极运移，使得抽真空区的水分增加，有效地减缓由真空负压作用导致的泥浆底部表面硬壳层的形成。电渗的本质是水分子在电场作用下迁移，水分子对孔隙壁有楔入压力，可以有效地减缓真空度传递通道的闭塞。此外，电渗时阴极产生的氢气和滞留在阴极处的水在负压的作用下排出，减小了电极与泥浆的界面电阻。因此真空负压联合电渗可以提高泥浆排水的效率。

图6还显示，真空和电渗联合方法的排水量低于电渗(阶段I)+真空电渗(阶段II)。这是因为真空电渗联合作用时，泥浆排水初期排水速率较快，但泥浆在有效应力和真空负压的双重作用下加快了泥浆孔隙的闭塞，泥浆颗粒相互挤压密实发生错位排列，颗粒的间距减小，导致泥浆颗粒之间的黏聚力大于水的楔入压力，限制了泥浆排水的效果。而电渗的本质是水分子在电场作用下迁移，水分子运移过程中在泥浆中开辟了新的贯通的孔隙通道，泥浆中导电路径增多，导致了电路中的电流增大。电渗时泥浆孔隙只在有效应力的作用下，颗粒骨架发生压缩，泥浆中孔隙的闭合速率较慢，因此电渗+真空电渗联合的排水效果更加显著。

5 结论

(1)运用真空负压法和电渗法进行盾构泥浆泥水分离处理，大大优于在地基软土固结处理的效果，能够较好地使泥浆中的水有效排出。

(2)真空负法压和电渗法均可以排出泥浆中的自由水和渗透结合水，但无法排出泥浆中的吸附结合水；真空负压法对泥浆中的自由水排出效果要优于电渗法，而电渗法对泥浆中的渗透结合水的排出效果要优于真空负压法。

(3)真空负压与电渗联合法对泥浆进行排水比真空负压法或电渗单独对泥浆排水处理效果更好。

(4)在泥浆泥水分离处理中，首先利用电渗法进行排水，将使泥浆中的水汇集到一起，同时使泥浆收缩形成渗流通道，随后用联合真空负压法进行排水，处理效果更加显著。

(5)电渗作用的时间应根据泥浆的含水率及处理具体要求来确定，以减少不必要浪费。