Исследование влияния параметров расположения оросителей на удаление пыли при строительстве тоннелей

Почему в тоннелях важно чистое воздух

Современные автомобильные тоннели — это инженерные достижения, но их строительство заполняет замкнутые подземные пространства облаками мелкой пыли. Эта пыль не только делает воздух дымчатым: она может повреждать лёгкие рабочих, скрывать опасности из виду и ускорять износ механизмов. В этом исследовании задаётся практически значимый вопрос с большими последствиями для безопасности рабочих и качества строительства: как следует располагать системы оросителей‑туманообразователей внутри тоннеля, чтобы максимально быстро и эффективно выбивать пыль из воздуха?

Как водяной туман укрощает пыль в тоннеле

Работа сосредоточена на длинном автомобильном тоннеле в Китае и рассматривает пыль, образующуюся при бурении и подрывах у забоя. Авторы изучают систему «водяного тумана» с высоконапорными форсунками, распыляющими крошечные капли в воздух. Когда эти капли сталкиваются с пылевыми частицами, пыль прилипает к воде, образует более тяжёлые сгустки и выпадает на пол. С помощью продвинутых компьютерных симуляций совместного течения воздуха и частиц, подкреплённых лабораторными экспериментами, исследователи отслеживают, как туман и пыль распространяются и взаимодействуют во времени на участке длиной 50 метров рядом с рабочим забоем.

Три этапа поведения тумана и пыли в тоннеле

Симуляции показывают, что после включения оросителей туман не образует простую однородную занавесь. Вместо этого он проходит три этапа. Сначала, за счёт начальной скорости, туман бросается вверх и вперёд, при этом наибольшая концентрация капель наблюдается на расстоянии 15–25 метров от забоя. Затем завихрения воздуха, создаваемые вентилятором и стенками тоннеля, приводят к появлению зон сильного и слабого покрытия туманом, включая область с низким уровнем тумана у пола на 10–20 метрах от забоя. Наконец, по мере продолжения работы система наполняет всю 50‑метровую зону. В это время пыль значительно снижается внутри активной зоны распыла, но не равномерно: пыль имеет тенденцию скапливаться вдоль стенки со стороны обратного потока воздуха, где воздушный поток переносит частицы дальше, прежде чем туман успевает их захватить.

Поиск оптимального угла и положения распыла

Ключевая часть исследования — проверка того, как угол и положение оросителей влияют на их эффективность. Распыл прямо по направлению (0 градусов) отправляет туман дальше по тоннелю, но с меньшим вертикальным охватом; большие углы (30, 45 и 60 градусов) создают более широкую «зонтик‑образную» область капель, но с меньшей дальностью действия. На раннем этапе, когда пыль только что образована и по‑прежнему сконцентрирована у забоя, решающим фактором является то, как быстро пыль встречает туман. В этот период распыл под углом 0 градусов даёт наибольшее снижение концентрации в первых 10 метрах. По мере того как время идёт и пыль уносится в сторону выхода из тоннеля, важны и время контакта, и перекрёстное покрытие. После выключения распыла решающее значение приобретают задерживающиеся капли: под углом 45 градусов остаётся широкое облако остаточного тумана, которое продолжает захватывать пыль, повышая общую эффективность удаления до 86,7 процента.

Где устанавливать оросители для продолжительной защиты

Исследователи также варьируют, на каком удалении от забоя устанавливают устройство распыла — 5, 10, 15, 20 или 25 метров — и отслеживают пыль в нескольких точках вдоль тоннеля. В первые примерно десять минут устройства, расположенные ближе к забою, перехватывают пыль раньше и сильнее защищают наиболее загруженную рабочую зону; установка системы примерно в 10 метрах от забоя особенно эффективна на этом раннем этапе. Но после остановки насосов картина меняется: облака тумана, формирующиеся чуть дальше назад, примерно в 15–25 метрах от забоя, дольше держатся в воздухе и продолжают вымывать пыль по мере её движения наружу. В целом установка устройства на расстоянии 15 метров от забоя даёт наилучший компромисс между быстрым перехватом и длительной очисткой, снижая уровни пыли в моделях примерно до 86 процентов.

Проверка выводов в лаборатории

Чтобы убедиться, что компьютерная модель соответствует реальности, авторы построили систему водяного тумана с высоки́м давлением, используя плунжерный насос, фильтровальную ёмкость и кольцо тонких форсунок, установленных под рекомендованным углом 45 градусов. В помещении, имитирующем тоннель, они генерировали дымоподобные частицы, чтобы имитировать мелкую строительную пыль, и измеряли микрочастицы в воздухе (PM2.5) на нескольких расстояниях. Без распыла концентрации быстро превышали верхний предел прибора. При включённой системе уровни PM2.5 быстро падали в измеримый диапазон и продолжали снижаться даже после выключения воды, поскольку оставшийся туман продолжал связывать пыль. Через 20–30 минут концентрация пыли стабилизировалась на уровне примерно на 74 процента ниже, чем в случае без распыла.

Что это значит для более безопасной работы в тоннелях

Для неспециалистов вывод прост: само наличие оросителей в тоннеле недостаточно — важно, как их направляют и где устанавливают; это может означать разницу между скромным и существенным улучшением качества воздуха. Исследование показывает, что мелкий водяной туман при распыле под тщательно подобранным углом и на соответствующем удалении от забоя может удалять более четырёх пятых вредных пылевых частиц и продолжать очищать воздух даже после выключения насосов. Эти результаты дают проектировщикам тоннелей и подрядчикам практические рекомендации для защиты лёгких рабочих, улучшения видимости и более чистых, безопасных строительных площадок.

Цитирование: 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

Ключевые слова: контроль пыли в тоннелях, водяные туманообразующие оросители, удаление PM2.5, вентиляция при строительстве, профессиональное здоровье