洒水喷雾布置参数对隧道施工除尘效果的研究

为什么隧道空气更清洁很重要

现代公路隧道是工程奇迹，但在建造过程中，封闭的地下空间会被细粉尘充满。这些粉尘不仅让空气显得浑浊：它会损害工人的肺部、遮蔽潜在危险并加速设备磨损。本研究提出了一个非常实用的问题，对工人安全和施工质量都有重大意义：在隧道内部应如何布置类似洒水的水雾系统，才能尽快且高效地将粉尘从空气中捕捉并沉降？

水雾如何控制隧道粉尘

该研究聚焦于中国的一条长公路隧道，考察在巷帮爆破掘进处产生的粉尘。研究团队考察的是细水雾系统，通过高压喷嘴向空气中喷出微小水滴。当这些水滴与粉尘颗粒碰撞时，粉尘附着在水滴上、聚结增重并沉降到地面。研究利用先进的气‑颗粒耦合数值模拟并结合实验室试验，追踪在靠近工作面的一段50米范围内水雾与粉尘随时间的扩散与相互作用。

隧道中雾滴与粉尘的三个阶段

模拟显示，喷雾开启后水雾并不会形成均匀的帘幕，而是经历三个阶段。首先，受初始喷射速度驱动，水雾向上并向前冲，最高的液滴浓度出现在距工作面15–25米处。接着，由通风风扇与隧道墙体产生的旋涡气流导致强弱不一的水雾覆盖区，包括距工作面10–20米处靠地面的低雾区。最后，随着系统持续运行，水雾填满整个50米区间。在此过程中，活跃喷雾区内粉尘被大幅削减，但减除并不均匀：粉尘往往在回风一侧沿墙集聚，那里的气流使粒子在被水雾捕捉前被带得更远。

寻找最佳喷雾角度和位置

研究的一个关键部分是测试喷头的角度和位置如何影响效果。0度（正向）喷射能把水雾射得更远但垂直扩散较窄；较大角度（30、45、60度）则形成更宽的“伞状”液滴覆盖但射程较短。在粉尘刚产生且仍集中在工作面附近的早期阶段，粉尘与水雾接触的速度最为关键，此时0度喷射在前10米范围内能实现最高的减尘效果。随着时间推移，粉尘向洞口漂移，接触时间与横向覆盖同时重要。喷雾停止后，余留雾滴变得至关重要：45度角留下的宽广残留雾云能继续捕捉粉尘，使总体去除效率最高可达86.7％。

持续防护时喷头的最佳放置位置

团队还改变了喷嘴距工作面的后退距离——5、10、15、20或25米，并在隧道多个点跟踪粉尘变化。在最初约十分钟内，靠近工作面的装置能更早拦截粉尘，更有效保护最繁忙的作业区；将喷雾装置放在距面约10米处，在这一早期阶段表现尤其良好。但在泵停后，情况发生反转：在略靠后的约15–25米处形成的雾云悬浮时间更长，能在粉尘向外流动时继续清除颗粒。总体上，将装置设置在距工作面15米处在快速拦截与持久清理之间取得最佳折衷，模拟中可将粉尘水平降低约86％左右。

用实验室试验验证结论

为验证数值模型与现实的一致性，研究者用柱塞泵、过滤罐和按建议45度角布置的环形细喷嘴搭建了高压水雾系统。在类隧道房间内，他们产生类似烟雾的颗粒来模拟细颗粒施工粉尘，并在若干距离处测量空气中的微粒（PM2.5）。未喷雾时，浓度迅速超过仪器上限；开启系统后，PM2.5水平迅速下降到可测范围内，并在停水后继续下降，因为残留水雾持续结合粉尘。20–30分钟后，粉尘浓度稳定下来，比无喷雾情况低约74％。

对更安全隧道施工的意义

对非专业读者而言，结论很直接：仅仅在隧道里安装喷雾装置还不够——喷射方向和安装位置会决定空气质量改善的幅度。本研究表明，精细水雾在经过精心选择的角度和与工作面的距离时，能去除超过五分之四的有害粉尘颗粒，并在泵停后继续净化空气。这些发现为隧道设计者和承包商提供了具体指导，帮助保护工人肺部健康、改善能见度并使施工现场更清洁、更安全。

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

关键词: 隧道除尘, 水雾喷淋, PM2.5 去除, 施工通风, 职业健康