دراسة حول تأثير معلمات ترتيب الرشاشات على إزالة الغبار في إنشاء الأنفاق

لماذا تهم جودة الهواء في الأنفاق

تعد أنفاق الطرق الحديثة إنجازات هندسية، لكن بناؤها يملأ المساحات تحت الأرض السطحية بسحب من الغبار الدقيق. هذا الغبار لا يجعل الهواء ضبابياً فحسب: بل قد يضر برئتي العمال، ويخفي المخاطر عن الأنظار، ويتلف الآلات أسرع. تطرح هذه الدراسة سؤالاً عملياً ذا تبعات كبيرة لسلامة العمال وجودة الإنشاء: كيف يجب ترتيب أنظمة الضباب المائي الشبيهة بالمرشات داخل النفق حتى تزيل الغبار من الهواء بأسرع ما يمكن وبأكبر فعالية؟

كيف يسيطر ضباب الماء على غبار النفق

تركز الأبحاث على نفق طريق طويل في الصين وتبحث الغبار الناتج عن حفر وتفجير واجهة الصخر. تدرس الفريق نظام «ضباب مائي» ناعم، حيث ترش فوهات عالية الضغط قطرات دقيقة في الهواء. عندما تصطدم هذه القطرات بجزيئات الغبار، يلتصق الغبار بالماء، ويتجمع في تكتلات أثقل، ويسقط إلى الأرض. باستخدام محاكاة حاسوبية متقدمة لتدفق الهواء والجسيمات مدعومة بتجارب مخبرية، يتتبع المؤلفون كيف ينتشر كل من الضباب والغبار ويتفاعلان معاً على مدى زمن في مقطع بطول 50 متراً قرب الواجهة العاملة.

ثلاث مراحل للضباب والغبار في النفق

تُظهر المحاكاة أنه بمجرد تشغيل المرشات، لا يتكوّن الضباب كستارة موحدة. بل يمر بثلاث مراحل. أولاً، مدفوعاً بسرعته الأولية، يقذف الضباب إلى الأعلى وللأمام، مع تركيز أعلى للقطرات على بعد 15–25 متراً من واجهة الصخر. بعد ذلك، تتسبب التيارات الهوائية الدوامية الناتجة عن مروحة التهوية وجدران النفق في جيوب من تغطية ضبابية قوية وضعيفة، بما في ذلك منطقة منخفضة الضباب قرب الأرض على بعد 10–20 متراً من الواجهة. أخيراً، مع استمرار تشغيل النظام، يملأ الضباب كامل منطقة الخمسين متراً. خلال هذه الفترة، يقل الغبار بشكل كبير داخل منطقة الرش النشطة، لكن ليس بشكل متساوٍ: يميل الغبار للتجمع على طول الجدار في جانب هواء الإعادة، حيث يحمل الهواء الجسيمات أبعد قبل أن يتمكن الضباب من التقاطها.

إيجاد أفضل زاوية وموقع للرش

جزء أساسي من الدراسة هو اختبار كيف تغير زاوية وموقع المرشات من فعاليتها. يؤدي الرش مباشرة للأمام (0 درجة) إلى حمل الضباب أبعد في النفق لكن مع انتشار عمودي أضيق؛ تخلق الزوايا الأكبر (30 و45 و60 درجة) «مظلة» أوسع من القطرات لكن بمدى أقصر. في البداية، عندما يُنتَج الغبار حديثاً ويتركز بالقرب من الواجهة، ما يهم هو مدى سرعة تلاقي الغبار مع الضباب. في هذه الفترة، تعطي زاوية الرش 0 درجة أعلى انخفاض خلال أول 10 أمتار. مع مرور الوقت وانجراف الغبار نحو مدخل النفق، يصبح زمن التلامس والتغطية المقطعية مهمين. بعد إيقاف الرش، تصبح القطرات المتبقية حاسمة: تترك زاوية 45 درجة سحابة واسعة من الضباب المتبقي التي تواصل التقاط الغبار، مما يرفع كفاءة الإزالة الإجمالية إلى نحو 86.7 بالمئة.

أين توضع المرشات لحماية طويلة الأمد

يغير الفريق أيضاً المسافة التي يُثبّت عندها جهاز الرش من الواجهة العاملة—5 و10 و15 و20 و25 متراً—ويتتبع الغبار عند نقاط متعددة على طول النفق. في أول عشر دقائق تقريباً، تعترض الأجهزة الأقرب إلى الواجهة الغبار أسرع وتحمي منطقة العمل الأكثر نشاطاً بقوة أكبر؛ ويعمل وضع النظام على بعد نحو 10 أمتار من الواجهة بشكل جيد في هذه المرحلة المبكرة. لكن عندما تتوقف المضخات، ينقلب النمط: سحابات الضباب التي تتكون أبعد قليلاً، نحو 15–25 متراً من الواجهة، تبقى معلقة في الهواء أطول وتستمر في تنظيف الغبار أثناء تدفقه للخارج. عموماً، يعطي وضع الجهاز على بعد 15 متراً من الواجهة أفضل حل وسط بين الاعتراض السريع والتنظيف طويل الأمد، مخفضاً مستويات الغبار بما يصل إلى نحو 86 بالمئة في المحاكاة.

اختبار النتائج مخبرياً

للتحقق من مطابقة نموذج الحاسوب للواقع، بنى الباحثون نظام ضباب مائي عالي الضغط مستخدمين مضخة مكبس، وخزان ترشيح، وحلقة من الفوهات الدقيقة مثبتة بزاوية 45 درجة الموصى بها. في غرفة شبيهة بالنفق، ولّدوا جسيمات تشبه الدخان لتمثيل غبار البناء الناعم وقاسوا الجسيمات المحمولة جوياً الصغيرة (PM2.5) على مسافات عدة. بدون الرش، تتجاوز التركيزات بسرعة الحد الأعلى لأداة القياس. مع تشغيل النظام، تنخفض مستويات PM2.5 بسرعة إلى النطاق القابل للقياس وتستمر في الانخفاض حتى بعد إيقاف الماء، إذ تواصل بقايا الضباب ربط الغبار. بعد 20–30 دقيقة، يستقر تركيز الغبار عند مستوى أقل بنحو 74 بالمئة من حالة عدم الرش.

ما الذي تعنيه هذه النتائج لعمل أنفاق أكثر أماناً

لغير المتخصصين، الخلاصة واضحة: وجود مرشات في النفق وحده لا يكفي—كيفية توجيهها ومكان تركيبها يمكن أن يكون الفارق بين تحسّن طفيف وتحسّن كبير في جودة الهواء. تظهر هذه الدراسة أن الضباب المائي الناعم، عند رشه بزاوية ومسافة مختارين بعناية من الواجهة العاملة، يمكن أن يزيل أكثر من أربعة أخماس جزيئات الغبار الضارة ويستمر في تنظيف الهواء حتى بعد إغلاق المضخات. توفر هذه الرؤى إرشاداً عملياً لمصممي الأنفاق والمقاولين لحماية رئات العمال، وتحسين الرؤية، وتشغيل مواقع إنشاء أنظف وأكثر أماناً.

الاستشهاد: Yang, S., Ren, R., Du, J. et al. Study on the effect of sprinkler layout parameters on dust removal in tunnel construction. Sci Rep 16, 12119 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41935-z

الكلمات المفتاحية: مكافحة غبار الأنفاق, رشاشات ضباب الماء, إزالة PM2.5, تهوية البناء, الصحة المهنية