מחקר על השפעת פרמטרי פריסת המערכות ההשתלשלות על הסרת אבק בבניית מנהרות

מדוע אוויר נקי יותר במנהרות חשוב

מנהרות כביש מודרניות הן הישגים הנדסיים, אך בנייתן ממלאת חללים תת‑קרקעיים סגורים בענני אבק עדין. האבק הזה עושה יותר מהשמדה הראות: הוא עלול להזיק לריאות העובדים, להסתיר סכנות מהעין ולבזבז מכונות מהר יותר. המחקר הזה שואל שאלה מעשית בעלת משמעויות גדולות לבטיחות העובדים ולאיכות העבודה: כיצד יש לסדר מערכות מפלירי ערפל מים פנימיות בתוך המנהרה כדי להוציא את האבק מהאוויר במהירות וביעילות המרבית?

כיצד ערפל מים יכול לרסן את אבק המנהרה

המחקר מתמקד במנהרת כביש ארוכה בסין ומתייחס לאבק שנוצר מקידוח ופיצוץ בקדמת המשטח הסלעי. הצוות בוחן מערכת "ערפל מים" עדינה, שבה מילא פיות בלחץ גבוה מרססים טיפות זעירות לאוויר. כאשר טיפות אלה מתנגשות בחלקיקי האבק, האבק נדבק למים, יוצר גושים כבדים יותר ונופל לקרקע. באמצעות סימולציות מתקדמות של זרימת אוויר וחלקיקים, הנתמכות בניסויים מעבדה, החוקרים עוקבים איך גם הערפל וגם האבק מתפזרים ומתקשרים לאורך זמן בקטע של 50 מטר בסמוך לפאה העובדת.

שלבים משלושת שלבי הערפל והאבק במנהרה

הסימולציות מראות שברגע המערכת מופעלת, הערפל אינו יוצר פשוט וילון אחיד. במקום זאת הוא עובר שלושה שלבים. תחילה, מונע על‑ידי מהירותו ההתחלתית, הערפל יוצא מעלה ולפנים, כאשר הריכוז הגבוה ביותר של טיפות מופיע בטווח של 15–25 מטר מפני הסלע. לאחר מכן, זרמי אוויר סוביביים הנוצרים על‑ידי מאוורר האוורור ודפנות המנהרה יוצרים כיסים של כיסוי ערפל חזק וחלש, כולל אזור בעל ערפל נמוך ליד הרצפה בטווח של 10–20 מטר מהפאה. לבסוף, כאשר המערכת פועלת זמן רב יותר, הערפל ממלא את כל אזור ה‑50 מטר. בתקופה זו האבק מצומק באופן ניכר בתוך אזור הריסוס הפעיל, אך לא באופן אחיד: האבק נוטה להתאסף לאורך הקיר בצד זרימת האוויר החוזרת, שם הזרימה נושאת חלקיקים רחוק יותר לפני שהערפל יכול ללכודם.

איתור זווית הריסוס והמיקום הטובים ביותר

חלק מרכזי במחקר בודק כיצד הזווית והמיקום של המפלירים משפיעים על היעילות. ריסוס קדימה (0 מעלות) דוחף את הערפל רחוק יותר במנהרה אך עם התפשטות אנכית צרה יותר; זוויות גדולות יותר (30, 45 ו‑60 מעלות) יוצרות "מטרייה" רחבה יותר של טיפות אבל מגיעות לטווח קצר יותר. בתחילה, כאשר האבק מיוצר זה עתה ומרוכז עדיין בסמוך לפאה, הדבר החשוב ביותר הוא כמה מהר האבק נתקל בערפל. בתקופה זו זווית ריסוס של 0 מעלות נותנת את הירידה החזקה ביותר בתוך עשרת המטרים הראשונים. ככל שהזמן עובר והאבק נודד לכיוון פתח המנהרה, גם זמן המגע וגם כיסוי החתך הרוחביים הופכים למשמעותיים. לאחר הפסקת הריסוס, הטיפות שנותרו חשובות: זווית של 45 מעלות מותירה ענן שאריות רחב שממשיך ללכוד אבק, ומגבירה את יעילות ההסרה הכוללת עד לכ‑86.7 אחוז.

היכן למקם את המפלירים להגנה מתמשכת

הצוות גם משנה את המרחק של מכשיר הריסוס מהפאה העובדת—5, 10, 15, 20 או 25 מטר—ועוקב אחרי האבק בנקודות מרובות לאורך המנהרה. בעשר הדקות הראשונות או כן סביבן, מכשירים קרובים יותר לפאה חוסמים את האבק מוקדם יותר ומגינים על אזור העבודה הפעיל ביותר בחוזקה רבה יותר; מיקום המערכת בערך 10 מטר מהפאה עובד טוב במיוחד בשלב ההתחלתי הזה. אך לאחר שהמשאבות מפסיקות, התמונה מתהפכת: ענני ערפל שנוצרים מעט רחוק יותר אחורה, כ־15–25 מטר מהפאה, מרחפים באוויר זמן רב יותר וממשיכים לנקות את האבק כשהוא זורם החוצה. באופן כללי, הצבת המכשיר במרחק של 15 מטר מהפאה מספקת את הפשרה הטובה ביותר בין יירוט מהיר לניקוי מתמשך, וחתוכה את רמות האבק עד לכ‑86 אחוז בסימולציות.

מבחן הממצאים במעבדה

כדי לבדוק שהמודל המחשבתי תואם למציאות, החוקרים בונים מערכת ערפל מים בלחץ גבוה המשתמשת במשאבת פטיש, מיכל סינון וטבעת פיות עדינות המותקנות בזווית המומלצת של 45 מעלות. בחדר המדמה מנהרה הם יוצרים חלקיקים בדמיון עשן כדי לחקות אבק בנייה עדין ומודדים חלקיקי אוויר זעירים (PM2.5) במספר מרחקים. ללא ריסוס, הריכוזים עולים במהירות מעל לתחום המדידה של המכשיר. עם פעולת המערכת, רמות PM2.5 יורדות במהירות לטווח הניתן למדידה וממשיכות לרדת גם לאחר כיבוי המים, כשהערפל שנותר ממשיך לקשור את האבק. לאחר 20–30 דקות, ריכוז האבק מתייצב ברמה נמוכה בכ‑74 אחוז בהשוואה למצב ללא ריסוס.

מה המשמעות לעבודה בטוחה יותר במנהרות

לבעלי עניין שאינם מומחים, המסקנה ברורה: נוכחות מפלירים במנהרה לבדה אינה מספיקה—כיוון ההשפרצה והמיקום ההתקנה יכולים להבדיל בין שיפור מתון לטרנספורמציה דרמטית באיכות האוויר. מחקר זה מראה שערפל מים עדין, כאשר מרוסס בזווית ובמרחק שנבחרים בקפידה מהפאה העובדת, יכול להסיר יותר מארבעת החמישיות של חלקיקי האבק המזיקים ולהמשיך לנקות את האוויר גם לאחר כיבוי המשאבות. תובנות אלה מספקות למעצבי מנהרות וקבלנים הנחיות מעשיות להגן על ריאות העובדים, לשפר את הראות ולהפעיל אתרי בנייה נקיים ובטוחים יותר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: בקרת אבק במנהרות, מפלירי ערפל מים, הסרת PM2.5, אוורור בבנייה, בריאות תעסוקתית