Étude sur l'effet des paramètres d'agencement des gicleurs sur l'élimination des poussières en construction de tunnels

Pourquoi un air plus propre dans les tunnels est important

Les tunnels autoroutiers modernes sont des prouesses d'ingénierie, mais leur construction emplit des espaces souterrains confinés de nuages de fines poussières. Ces poussières ne se contentent pas de rendre l'air brumeux : elles peuvent endommager les poumons des travailleurs, masquer des dangers et user plus vite les machines. Cette étude pose une question très pragmatique aux grandes implications pour la sécurité des ouvriers et la qualité de la construction : comment disposer des systèmes de type gicleur à brume d'eau à l'intérieur d'un tunnel pour qu'ils extraient la poussière de l'air aussi rapidement et efficacement que possible ?

Comment la brume d'eau peut dompter la poussière de tunnel

La recherche se concentre sur un long tunnel autoroutier en Chine et porte sur la poussière générée par le forage et le dynamitage au front de taille. L'équipe étudie un système de « brume d'eau » fine, où des buses haute pression pulvérisent de minuscules gouttelettes dans l'air. Lorsque ces gouttelettes entrent en collision avec les particules de poussière, la poussière adhère à l'eau, forme des agrégats plus lourds et retombe au sol. En utilisant des simulations numériques avancées du couplage air‑particules, soutenues par des expériences de laboratoire, les auteurs suivent la manière dont la brume et la poussière se répandent et interagissent au fil du temps sur une zone de 50 mètres près du front de travail.

Trois phases de la brume et de la poussière dans un tunnel

Les simulations montrent que dès l'enclenchement des gicleurs, la brume ne forme pas simplement un rideau uniforme. Elle traverse plutôt trois phases. D'abord, poussée par sa vitesse initiale, la brume jaillit vers le haut et vers l'avant, avec la concentration maximale de gouttelettes située à 15–25 mètres du front. Ensuite, des courants d'air tourbillonnants créés par le ventilateur de ventilation et les parois du tunnel provoquent des poches de couverture forte et faible en brume, y compris une zone de faible brumisation près du sol à 10–20 mètres du front. Enfin, à mesure que le système fonctionne, la brume envahit toute la zone de 50 mètres. Pendant ce temps, la poussière est fortement réduite dans la zone de pulvérisation active, mais de façon inégale : la poussière a tendance à s'accumuler le long de la paroi sur le côté de l'air de retour, où le flux d'air transporte les particules plus loin avant que la brume ne puisse les capturer.

Déterminer le meilleur angle et la meilleure position de pulvérisation

Une partie clé de l'étude consiste à tester comment l'angle et la position des gicleurs modifient leur efficacité. Pulvériser tout droit (0 degré) envoie la brume plus loin dans le tunnel mais avec une répartition verticale plus étroite ; des angles plus ouverts (30, 45 et 60 degrés) créent une « ombrelle » de gouttelettes plus large mais avec une portée plus courte. Au début, lorsque la poussière est fraîchement produite et encore concentrée près du front, ce qui compte le plus est la rapidité avec laquelle la poussière rencontre la brume. Dans cette phase, un angle de 0 degré offre la plus forte réduction dans les 10 premiers mètres. Avec le temps, alors que la poussière dérive vers l'entrée du tunnel, le temps de contact et la couverture en section transversale deviennent importants. Après l'arrêt de la pulvérisation, les gouttelettes résiduelles prennent une importance cruciale : un angle de 45 degrés laisse un large nuage de brume résiduelle qui continue à capturer la poussière, portant l'efficacité globale d'élimination jusqu'à 86,7 %.

Où placer les gicleurs pour une protection durable

L'équipe varie également la distance entre le dispositif de pulvérisation et le front de travail — 5, 10, 15, 20 ou 25 mètres — et suit la poussière à plusieurs points le long du tunnel. Pendant les dix premières minutes environ, les dispositifs plus proches du front interceptent la poussière plus tôt et protègent plus fortement la zone de travail la plus active ; placer le système à environ 10 mètres du front fonctionne particulièrement bien dans cette phase initiale. Mais une fois les pompes arrêtées, le schéma s'inverse : les nuages de brume qui se forment un peu plus en retrait, à environ 15–25 mètres du front, restent en suspension plus longtemps et continuent d'épurer la poussière au fur et à mesure de son déplacement vers l'extérieur. Dans l'ensemble, positionner le dispositif à 15 mètres du front offre le meilleur compromis entre interception rapide et nettoyage durable, réduisant les niveaux de poussière jusqu'à environ 86 % dans les simulations.

Tester les résultats en laboratoire

Pour vérifier que le modèle numérique reflète la réalité, les chercheurs construisent un système de brume d'eau haute pression à l'aide d'une pompe à piston, d'un bac filtrant et d'un anneau de buses fines réglées à l'angle recommandé de 45 degrés. Dans une salle simulant un tunnel, ils génèrent des particules semblables à de la fumée pour imiter la poussière de construction fine et mesurent les très fines particules en suspension (PM2,5) à plusieurs distances. Sans pulvérisation, les concentrations dépassent rapidement la limite supérieure de l'instrument. Une fois le système en marche, les niveaux de PM2,5 chutent rapidement dans la plage mesurable et continuent de diminuer même après l'arrêt de l'eau, la brume résiduelle continuant d'agréger la poussière. Après 20–30 minutes, la concentration de poussière se stabilise à un niveau environ 74 % plus bas que dans le cas sans pulvérisation.

Ce que cela implique pour un travail en tunnel plus sûr

Pour les non‑spécialistes, la conclusion est simple : la présence de gicleurs dans un tunnel ne suffit pas — leur orientation et leur emplacement peuvent faire la différence entre des améliorations modestes et spectaculaires de la qualité de l'air. Cette étude montre que la brume d'eau fine, lorsqu'elle est pulvérisée à un angle et à une distance soigneusement choisis par rapport au front de travail, peut éliminer plus des quatre cinquièmes des particules de poussière nocives et continuer à assainir l'air même après l'arrêt des pompes. Ces enseignements fournissent aux concepteurs de tunnels et aux entrepreneurs des indications concrètes pour protéger les poumons des travailleurs, améliorer la visibilité et rendre les chantiers plus propres et plus sûrs.

Citation: 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

Mots-clés: contrôle de la poussière en tunnel, brumisateurs à eau, élimination des PM2,5, ventilation de chantier, santé au travail