Badanie wpływu parametrów rozmieszczenia zraszaczy na usuwanie pyłu podczas budowy tuneli

Dlaczego czystsze powietrze w tunelach ma znaczenie

Nowoczesne tunele drogowe to inżynieryjne osiągnięcia, ale ich budowa wypełnia ograniczone przestrzenie pod ziemią chmurami drobnego pyłu. Ten pył nie tylko sprawia, że powietrze wygląda mgliście: może uszkadzać płuca pracowników, ukrywać zagrożenia i szybciej zużywać maszyny. Badanie stawia bardzo praktyczne pytanie o dalekosiężnych konsekwencjach dla bezpieczeństwa i jakości robót: jak należy rozmieścić systemy zraszające typu mgły wodnej wewnątrz tunelu, aby jak najszybciej i najefektywniej usuwały pył z powietrza?

Jak mgła wodna może ujarzmić pył tunelowy

Badanie koncentruje się na długim tunelu drogowym w Chinach i dotyczy pyłu powstającego podczas wiercenia i strzałów na ścianie roboczej. Zespół analizuje system drobnej „mgły wodnej”, w którym dysze o wysokim ciśnieniu rozpryskują maleńkie krople w powietrzu. Gdy krople zderzają się z cząstkami pyłu, pył przyczepia się do wody, tworząc cięższe skupiska, które opadają na ziemię. Przy użyciu zaawansowanych symulacji komputerowych sprzężonego przepływu powietrza i cząstek, wspartych eksperymentami laboratoryjnymi, autorzy śledzą, jak mgła i pył rozprzestrzeniają się i oddziałują w czasie na odcinku 50 metrów w pobliżu frontu robót.

Trzy fazy zachowania mgły i pyłu w tunelu

Symulacje pokazują, że po włączeniu zraszaczy mgła nie tworzy jednolitej kurtyny. Zamiast tego przechodzi przez trzy fazy. Najpierw, napędzana początkową prędkością, mgła wyrzuca się do góry i do przodu, a najwyższe stężenie kropelek pojawia się 15–25 metrów od ściany roboczej. Następnie wirujące prądy powietrza tworzone przez wentylator i ściany tunelu powodują kieszenie silnego i słabego pokrycia mgły, w tym obszar o niskiej mglistości blisko podłogi na 10–20 metrach od ściany. Wreszcie, w miarę dalszego działania systemu, mgła wypełnia cały 50‑metrowy odcinek. W tym czasie pył jest silnie redukowany w aktywnym obszarze oprysku, ale nierównomiernie: pył ma tendencję do gromadzenia się przy ścianie po stronie powrotu powietrza, gdzie przepływ powietrza przenosi cząstki dalej, zanim mgła zdąży je wychwycić.

Optymalny kąt i pozycja zraszania

Kluczowym elementem badania jest testowanie, jak kąt i położenie zraszaczy wpływają na ich skuteczność. Zraszanie prosto do przodu (0 stopni) posyła mgłę dalej w tunel, ale z węższym rozkładem pionowym; większe kąty (30, 45 i 60 stopni) tworzą szerszą „parasolkę” kropelek, lecz o krótszym zasięgu. Na początku, gdy pył jest świeżo wytwarzany i skoncentrowany przy ścianie roboczej, najważniejsze jest, jak szybko pył zetknie się z mgłą. W tym okresie kąt 0 stopni daje największe zmniejszenie stężenia w pierwszych 10 metrach. W miarę upływu czasu i przesuwania pyłu w kierunku wylotu tunelu, istotne stają się zarówno czas kontaktu, jak i pokrycie przekroju. Po wyłączeniu oprysku, kluczowe stają się utrzymujące się krople: kąt 45 stopni pozostawia szeroką chmurę resztkowej mgły, która nadal wychwytuje pył, podnosząc ogólną skuteczność usuwania nawet do 86,7 procent.

Gdzie umieścić zraszacze dla długotrwałej ochrony

Zespół bada również, jak daleko urządzenie opryskowe powinno być odsunięte od ściany roboczej — 5, 10, 15, 20 lub 25 metrów — i śledzi pył w wielu punktach wzdłuż tunelu. W pierwszych około dziesięciu minutach urządzenia bliżej ściany przechwytują pył szybciej i mocniej chronią najbardziej intensywną strefę roboczą; ustawienie systemu około 10 metrów od ściany działa szczególnie dobrze w tej wczesnej fazie. Jednak po zatrzymaniu pomp wzór się odwraca: chmury mgły tworzące się nieco dalej, w przybliżeniu 15–25 metrów od ściany, utrzymują się w powietrzu dłużej i dalej oczyszczają pył w miarę jego przemieszczania. Ogólnie rzecz biorąc, ustawienie urządzenia 15 metrów od ściany daje najlepszy kompromis między szybkim przechwyceniem a długotrwałym oczyszczaniem, zmniejszając poziomy pyłu w symulacjach nawet o około 86 procent.

Weryfikacja wyników w laboratorium

Aby sprawdzić zgodność modelu komputerowego z rzeczywistością, badacze zbudowali system mgły wodnej o wysokim ciśnieniu, wykorzystując pompę tłokową, zbiornik filtrujący oraz pierścień drobnych dysz ustawionych pod zalecanym kątem 45 stopni. W pomieszczeniu przypominającym tunel wytwarzali cząstki podobne do dymu, aby naśladować drobny pył budowlany, i mierzyli drobne cząstki unoszące się w powietrzu (PM2.5) na kilku odległościach. Bez oprysku stężenia szybko przekraczały górną granicę mierników. Po włączeniu systemu poziomy PM2.5 szybko spadały do zakresu mierzalnego i nadal się zmniejszały nawet po wyłączeniu wody, gdy pozostająca mgła dalej wiązała pył. Po 20–30 minutach stężenie pyłu ustabilizowało się na poziomie około 74 procent niższym niż w przypadku braku oprysku.

Co to oznacza dla bezpieczniejszej pracy w tunelach

Dla czytelników niebędących specjalistami wniosek jest prosty: samo posiadanie zraszaczy w tunelu nie wystarczy — sposób ich ustawienia i skierowania może przesądzać o skromnej lub znaczącej poprawie jakości powietrza. Badanie pokazuje, że drobna mgła wodna, rozpylana pod starannie dobranym kątem i w odpowiedniej odległości od ściany roboczej, może usunąć ponad cztery piąte szkodliwych cząstek pyłu i kontynuować oczyszczanie powietrza nawet po wyłączeniu pomp. Te wskazówki dają projektantom tuneli i wykonawcom konkretne rekomendacje, jak chronić płuca pracowników, poprawiać widoczność i prowadzić czystsze, bezpieczniejsze place budowy.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: kontrola pyłu w tunelu, zraszacze mgły wodnej, usuwanie PM2.5, wentylacja budowy, zdrowie zawodowe