Studio sull’effetto dei parametri di disposizione degli spruzzatori sulla rimozione della polvere nella costruzione di gallerie

Perché un’aria più pulita nelle gallerie è importante

Le moderne gallerie autostradali sono capolavori di ingegneria, ma costruirle riempie spazi sotterranei confinati di nuvole di polvere fine. Quella polvere non si limita a rendere l’aria torbida: può danneggiare i polmoni dei lavoratori, nascondere pericoli alla vista e accelerare l’usura dei macchinari. Questo studio pone una domanda molto pratica, dalle grandi implicazioni per la sicurezza dei lavoratori e la qualità delle costruzioni: come dovrebbero essere disposti all’interno di una galleria sistemi a nebbiolina simili a spruzzatori in modo da eliminare la polvere dall’aria nel modo più rapido ed efficiente possibile?

Come la nebbiolina può domare la polvere in galleria

La ricerca si concentra su una lunga galleria autostradale in Cina e analizza la polvere prodotta da perforazione e brillamento alla faccia di scavo. Il team studia un sistema di «nebbiolina» fine, in cui ugelli ad alta pressione spruzzano goccioline microscopiche nell’aria. Quando queste goccioline urtano le particelle di polvere, la polvere si agglomera all’acqua, forma grumi più pesanti e cade al suolo. Utilizzando avanzate simulazioni al computer del flusso dell’aria e delle particelle, supportate da esperimenti di laboratorio, gli autori tracciano come nebbiolina e polvere si diffondono e interagiscono nel tempo in un tratto di 50 metri vicino alla faccia di lavoro.

Tre fasi di nebbiolina e polvere in galleria

Le simulazioni mostrano che una volta accesi gli spruzzatori, la nebbiolina non forma semplicemente una cortina uniforme. Piuttosto, attraversa tre fasi. In primo luogo, spinta dalla velocità iniziale, la nebbiolina spara verso l’alto e in avanti, con la massima concentrazione di goccioline tra 15 e 25 metri dalla faccia di scavo. Poi, correnti d’aria vorticoshe create dalla ventilazione e dalle pareti della galleria generano tasche di copertura di nebbiolina più o meno intensa, inclusa una zona a bassa nebbiolina vicino al pavimento tra 10 e 20 metri dalla faccia. Infine, con il sistema in funzione continuativa, la nebbiolina riempie l’intera zona di 50 metri. Durante questo periodo, la polvere si riduce fortemente nell’area di spruzzo attiva, ma non in modo uniforme: la polvere tende ad accumularsi lungo la parete sul lato dell’aria di ritorno, dove il flusso d’aria trasporta le particelle più lontano prima che la nebbiolina possa catturarle.

Determinare il miglior angolo e la posizione di spruzzo

Una parte chiave dello studio è testare come l’angolo e la posizione degli spruzzatori modifichino la loro efficacia. Spruzzare in avanti (0 gradi) invia la nebbiolina più lontano nella galleria ma con una diffusione verticale più stretta; angoli maggiori (30, 45 e 60 gradi) creano una «copertura» di goccioline più ampia ma con portata minore. All’inizio, quando la polvere è appena prodotta e ancora concentrata vicino alla faccia, ciò che conta è quanto presto la polvere incontra la nebbiolina. In questo periodo, un angolo di 0 gradi determina la riduzione più elevata entro i primi 10 metri. Col passare del tempo e con la deriva della polvere verso l’ingresso della galleria, sia il tempo di contatto sia la copertura della sezione trasversale diventano importanti. Dopo l’interruzione dello spruzzo, le goccioline residuate diventano cruciali: un angolo di 45 gradi lascia una vasta nube di nebbiolina residua che continua a catturare polvere, portando l’efficienza complessiva di rimozione fino all’86,7 percento.

Dove posizionare gli spruzzatori per una protezione duratura

Il team varia anche la distanza a cui il dispositivo di spruzzo è collocato rispetto alla faccia di lavoro — 5, 10, 15, 20 o 25 metri — e monitora la polvere in più punti lungo la galleria. Nei primi dieci minuti circa, i dispositivi più vicini alla faccia intercettano la polvere prima e proteggono più efficacemente la zona di lavoro più intensa; posizionare il sistema a circa 10 metri dalla faccia funziona particolarmente bene in questa fase iniziale. Ma una volta che le pompe si fermano, il quadro si inverte: le nubi di nebbiolina che si formano un po’ più arretrate, approssimativamente tra 15 e 25 metri dalla faccia, rimangono sospese più a lungo e continuano a depurare la polvere mentre essa si sposta verso l’esterno. Nel complesso, collocare il dispositivo a 15 metri dalla faccia offre il miglior compromesso tra intercettazione rapida e pulizia duratura, riducendo i livelli di polvere fino a circa l’86 percento nelle simulazioni.

Mettere alla prova i risultati in laboratorio

Per verificare che il modello al computer rispecchi la realtà, i ricercatori costruiscono un sistema di nebbiolina ad alta pressione usando una pompa a stantuffo, un serbatoio filtro e un anello di ugelli fini impostati all’angolo consigliato di 45 gradi. In una stanza che simula una galleria, generano particelle simili a fumo per imitare la polvere fine da costruzione e misurano le particelle aerodisperse molto piccole (PM2.5) a diverse distanze. Senza spruzzo, le concentrazioni superano rapidamente il limite superiore dello strumento. Con il sistema acceso, i livelli di PM2.5 calano rapidamente entro l’intervallo misurabile e continuano a diminuire anche dopo lo spegnimento dell’acqua, mentre la nebbiolina residua continua a legare la polvere. Dopo 20–30 minuti, la concentrazione di polvere si stabilizza a un livello circa il 74 percento più basso rispetto al caso senza spruzzo.

Cosa significa per lavori in galleria più sicuri

Per i non specialisti, la conclusione è chiara: avere semplicemente spruzzatori in galleria non basta — come sono orientati e dove sono installati può fare la differenza tra miglioramenti modesti e risultati drammatici nella qualità dell’aria. Questo studio dimostra che la nebbiolina fine, se spruzzata con un angolo e una distanza dalla faccia di lavoro accuratamente scelti, può rimuovere oltre quattro quinti delle particelle di polvere nocive e continuare a pulire l’aria anche dopo lo spegnimento delle pompe. Questi risultati forniscono ai progettisti di gallerie e agli appaltatori indicazioni concrete per proteggere i polmoni dei lavoratori, migliorare la visibilità e gestire cantieri più puliti e sicuri.

Citazione: 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

Parole chiave: controllo della polvere in galleria, spruzzatori a nebbiolina, rimozione PM2.5, ventilazione in cantiere, salute occupazionale