トンネル工事における散水ノズル配置パラメータが粉じん除去に与える影響の研究

トンネル内の空気をきれいにすることが重要な理由

現代の高速道路トンネルは工学的に優れていますが、建設作業は閉ざされた地下空間に細かな粉じんの雲を充満させます。粉じんは空気を霞ませるだけでなく、作業者の肺を損なったり、危険を見えにくくしたり、機械の摩耗を早めたりします。本研究は、安全性と施工品質に大きな影響を及ぼす実用的な問いを投げかけます：トンネル内でスプリンクラーのような水霧システムをどのように配置すれば、粉じんをできるだけ速く、効率的に空気から取り除けるか、という点です。

水霧がトンネル粉じんを抑える仕組み

本研究は中国の長い高速道路トンネルを対象に、岩盤面での掘削・発破作業によって発生する粉じんを扱います。研究チームは高圧ノズルで微小な水滴を噴霧する「微細水霧」システムに注目しました。これらの水滴が粉じん粒子と衝突すると、粉じんは水に付着して重い塊を形成し、地面に落下します。空気と粒子の連成流を高精度に計算する数値シミュレーションと実験室実験を併用して、作業面付近の50メートル区間で水霧と粉じんがどのように広がり相互作用するかを追跡しました。

トンネル内の水霧と粉じんの3段階

シミュレーションは、散水を開始すると水霧が単純な均一カーテンを形成するのではなく、3つの段階を経ることを示しています。まず、初期の速度により水霧は上方かつ前方に噴進し、最も高い滴下濃度は作業面から15～25メートル付近に現れます。次に、換気ファンやトンネル壁による渦状の気流が強弱のある水霧のポケットを生み、作業面から10～20メートル付近の床近くに低い水霧領域が形成されます。最後に、系が継続して稼働すると水霧は50メートル区間全体に拡がります。この過程で、活性噴霧領域内では粉じんが大幅に低減しますが一様ではなく、戻り気流側の壁沿いには粉じんが集積しやすく、気流が粒子をより遠くまで運んでから水霧に捕捉されるためです。

最適な噴霧角と位置の検討

研究の重要な部分は、ノズルの角度と位置が効果にどう影響するかを試すことです。0度（直進）噴霧は霧をトンネルの奥へ遠くまで送り出しますが垂直方向の広がりは狭く、30度・45度・60度と角度を大きくすると滴の「傘」は広がる一方で到達距離は短くなります。粉じんが新たに発生して作業面付近に集中している初期段階では、粉じんがいかに早く水霧に出会うかが最も重要で、この期間では0度噴霧が最初の10メートルで最高の低減効果を示します。時間が経ち粉じんが入口側へ流れると、接触時間と断面被覆が重要になります。噴霧停止後に残る水滴も重要で、45度角は広い残存水霧の雲を残し続けて粉じんを捕捉し、全体の除去効率を86.7％まで押し上げました。

持続的な保護のための設置位置

チームはまた、噴霧装置を作業面から5、10、15、20、25メートルと離して設置した場合を変化させ、トンネル内の複数地点で粉じんを追跡しました。初めの約10分間では、作業面に近い装置が粉じんをより早く捕捉し、繁忙域を強く守ります。この初期段階では作業面から約10メートルに設置するのが特に有効です。しかしポンプ停止後はパターンが逆転し、やや後方、概ね作業面から15～25メートルに形成される水霧雲の方が空中に長く留まり、外側へ流れる粉じんを持続的に洗い落とします。総じて、作業面から15メートルに装置を配置することが、早期の捕捉と長時間の浄化の間で最良の妥協点を提供し、シミュレーションでは粉じん濃度を最大で約86％削減しました。

実験室での検証

数値モデルが現実に合っているかを確認するため、研究者らはプランジャーポンプ、ろ過タンク、推奨の45度角に配置した細噴霧ノズルリングからなる高圧水霧システムを構築しました。トンネル状の室内で、微細な建設粉じんを模した煙状の粒子を発生させ、複数距離で微粒子（PM2.5）を測定しました。噴霧なしでは濃度はすぐに計測器の上限を超えますが、システム稼働中はPM2.5濃度が急速に測定可能な範囲まで低下し、水の供給を止めた後も残存する水霧が粉じんを結合し続けるためさらに低下します。20～30分後、粉じん濃度は噴霧なしの場合に比べ約74％低い安定レベルに達しました。

より安全なトンネル作業への示唆

専門外の方への要点は明快です：トンネルにスプリンクラーを設置するだけでは不十分で、噴霧の向きや設置位置が空気質の改善を控えめなものから劇的なものに変え得ます。本研究は、適切に選んだ角度と作業面からの距離で微細水霧を噴霧すれば、有害な粉じん粒子の5分の4以上を除去でき、ポンプ停止後も空気を清浄し続けることを示しています。これらの知見はトンネル設計者や施工業者に対し、作業者の肺を守り、視界を改善し、より清潔で安全な工事現場を実現するための具体的な指針を提供します。

引用: 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

キーワード: トンネル粉じん対策, 微細水霧スプリンクラー, PM2.5除去, 工事用換気, 職業衛生