Estudio sobre el efecto de los parámetros de disposición de aspersores en la eliminación de polvo en la construcción de túneles

Por qué importa un aire más limpio en los túneles

Los túneles modernos de carretera son maravillas de la ingeniería, pero su construcción llena los espacios subterráneos confinados de nubes de polvo fino. Ese polvo no solo vuelve el aire turbio: puede dañar los pulmones de los trabajadores, ocultar peligros a la vista y acelerar el desgaste de las máquinas. Este estudio plantea una pregunta muy práctica con grandes implicaciones para la seguridad de los trabajadores y la calidad de la obra: ¿cómo debe disponerse un sistema tipo aspersor de niebla de agua dentro de un túnel para eliminar el polvo del aire de la forma más rápida y eficiente posible?

Cómo la niebla de agua puede domar el polvo del túnel

La investigación se centra en un largo túnel de autopista en China y analiza el polvo generado por perforación y voladura en el frente de trabajo. El equipo estudia un sistema de «niebla de agua» fina, en el que boquillas de alta presión pulverizan diminutas gotas en el aire. Cuando estas gotas colisionan con las partículas de polvo, el polvo se adhiere al agua, forma agregados más pesados y cae al suelo. Usando simulaciones por ordenador avanzadas del flujo conjunto de aire y partículas, respaldadas por experimentos de laboratorio, los autores siguen cómo se dispersan e interactúan la niebla y el polvo a lo largo del tiempo en un tramo de 50 metros cerca del frente de trabajo.

Tres etapas de la niebla y el polvo en un túnel

Las simulaciones muestran que, una vez que se encienden los aspersores, la niebla no forma simplemente una cortina uniforme. En su lugar, atraviesa tres etapas. Primero, impulsada por su velocidad inicial, la niebla sale hacia arriba y hacia adelante, con la mayor concentración de gotas entre 15 y 25 metros del frente rocoso. A continuación, las corrientes de aire en remolino creadas por el ventilador de ventilación y las paredes del túnel provocan bolsillos de cobertura de niebla fuerte y débil, incluida una región de baja presencia de niebla cerca del suelo a 10–20 metros del frente. Finalmente, con el sistema en funcionamiento continuo, la niebla llena toda la zona de 50 metros. Durante este tiempo, el polvo se reduce de forma notable dentro de la región activa de pulverización, pero no de manera uniforme: el polvo tiende a acumularse a lo largo de la pared en el lado de retorno del aire, donde el flujo lo arrastra más lejos antes de que la niebla pueda capturarlo.

Encontrar el mejor ángulo y posición de pulverización

Una parte clave del estudio es probar cómo el ángulo y la ubicación de los aspersores afectan su eficacia. Pulverizar recto hacia delante (0 grados) envía la niebla más lejos por el túnel pero con una extensión vertical más estrecha; ángulos mayores (30, 45 y 60 grados) crean un “paraguas” de gotas más ancho pero con menor alcance. Al principio, cuando el polvo se acaba de generar y aún está concentrado cerca del frente, lo que importa es cuánto antes entra en contacto con la niebla. En este periodo, un ángulo de 0 grados ofrece la mayor reducción dentro de los primeros 10 metros. A medida que pasa el tiempo y el polvo se desplaza hacia la entrada del túnel, tanto el tiempo de contacto como la cobertura en sección transversal cobran importancia. Tras detener la pulverización, las gotas residuales se vuelven cruciales: un ángulo de 45 grados deja una amplia nube de niebla residual que sigue capturando polvo, elevando la eficiencia global de eliminación hasta un 86,7 %.

Dónde colocar los aspersores para una protección duradera

El equipo también varía la distancia de retroceso del dispositivo de pulverización respecto al frente de trabajo —5, 10, 15, 20 o 25 metros— y rastrea el polvo en múltiples puntos a lo largo del túnel. En los primeros diez minutos aproximadamente, los dispositivos más cercanos al frente interceptan el polvo antes y protegen con mayor intensidad la zona de trabajo más activa; colocar el sistema a unos 10 metros del frente funciona especialmente bien en esta fase inicial. Pero una vez que las bombas se apagan, el patrón cambia: las nubes de niebla que se forman algo más atrás, alrededor de 15–25 metros del frente, permanecen en el aire más tiempo y siguen limpiando el polvo a medida que fluye hacia afuera. En conjunto, situar el dispositivo a 15 metros del frente ofrece el mejor compromiso entre interceptación rápida y limpieza de larga duración, reduciendo los niveles de polvo hasta en alrededor de un 86 % en las simulaciones.

Comprobando los hallazgos en el laboratorio

Para verificar que el modelo informático coincide con la realidad, los investigadores construyen un sistema de niebla de agua de alta presión usando una bomba de émbolo, un tanque de filtrado y un anillo de boquillas finas dispuestas al ángulo recomendado de 45 grados. En una sala similar a un túnel generan partículas tipo humo para imitar el polvo fino de obra y miden las partículas en el aire (PM2.5) a varias distancias. Sin pulverización, las concentraciones superan rápidamente el límite superior del instrumento. Con el sistema en marcha, los niveles de PM2.5 caen rápidamente hasta llegar a un rango medible y continúan disminuyendo incluso después de cortar el agua, ya que la niebla restante sigue uniendo el polvo. Tras 20–30 minutos, la concentración de polvo se estabiliza en un nivel aproximadamente un 74 % inferior al del caso sin pulverización.

Qué significa esto para un trabajo más seguro en túneles

Para los no especialistas, la conclusión es sencilla: tener aspersores en un túnel no basta: cómo se orientan y dónde se instalan puede marcar la diferencia entre mejoras modestas y dramáticas en la calidad del aire. Este estudio muestra que la niebla de agua fina, cuando se pulveriza con un ángulo y una distancia cuidadosamente seleccionados respecto al frente de trabajo, puede eliminar más de cuatro quintas partes de las partículas dañinas y seguir limpiando el aire incluso después de apagar las bombas. Estas ideas ofrecen a diseñadores de túneles y contratistas orientaciones concretas para proteger los pulmones de los trabajadores, mejorar la visibilidad y gestionar obras más limpias y seguras.

Cita: 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

Palabras clave: control de polvo en túneles, aspersores de niebla de agua, eliminación de PM2.5, ventilación en la construcción, salud ocupacional