随着探索、开发及利用地下空间步伐的逐渐深入，复杂地下工程日益增多，一些超级水工隧洞也应运而生。结合施工人员健康要求的日益增高，超级隧洞修建中的各项矛盾及问题也日益突出，尤其施工期间的洞内环境问题，直接影响工作效率、人员的身体健康和施工安全。另外，施工通风的技术水平将直接影响超长距离隧洞的工程布置及规模。因此，研究及解决复杂超长隧洞的施工通风问题非常关键。

　　 目前施工通风的研究非常多，但主要集中在通风方式、通风设备的选型及配置、纵向接力方法、风管风阻及漏风率等方面，如李小星 ^[1]对施工通风设备选择、系统布置、通风安全技术措施、其他辅助措施等进行了研究，王俭 ^[2]对施工通风控制标准及主要改善措施进行了研究，杨成伟 ^[3]、李春奎 ^[4]、伍光群 ^[5]对通风控制标准、设备选型及方案进行了研究，刘国平 ^[6]、李明等 ^[7]、常晓珂等 ^[8]对洞内环境进行了数值模拟。另外，R.Klemens等 ^[9]对某矿井内的粉尘运移过程进行了模拟，F.W.Han等 ^[10]对矿井喷雾除尘效率进行了模拟研究。虽然施工通风方面的研究较多，但总体上分为设计参数和洞内浓度分布模拟两大类，对超长网状隧洞施工通风的自然风的作用及影响、洞口雾气等研究较少。超长隧洞局部贯通后，施工通风模式改变，尤其部分支路的自然风风速很大，如何结合具体工程的风网实际及气象条件考虑对自然风的利用，显得尤为重要，本文结合工程实践，对该问题进行分析和探讨。

　　 陕西省引汉济渭工程秦岭输水隧洞(越岭段)全长81.779km，隧洞最大埋深2 012m，进口洞底高程537.170m，出口洞底高程510.000m，洞内纵坡1/2 500。隧洞采用TBM+钻爆法施工，全隧洞共分为3大段，即进口钻爆法施工段、岭脊TBM施工段、出口钻爆法施工段。规划10座支洞作为施工辅助通道，工程的总体布置方案如图1所示。

　　 秦岭隧洞(越岭段)以K46+360为界分为岭北工程和岭南工程，其中岭北工程的贯通顺序依次为5号至6号支洞，6号至7号支洞，7号支洞至出口。5号支洞洞口高程为978.000m,6号支洞洞口高程为721.930m,7号支洞洞口高程为623.270m。在各支洞及出口工区贯通后，网状通道形成，在洞内外气压、温度、湿度、自然风等影响下，洞内自然风影响较大，各工区冬季长时间存在洞口雾气大、能见度低、施工组织困难等问题。该问题严重影响施工时，对部分段落进行了洞内风速测试及洞内空气质量测试，部分测试结果如表1,2所示。

　　 说明:隧洞贯通后，由于洞内各工区无开挖放炮工序，因此洞内无炮烟影响，洞内有害气体主要为原洞内本底浓度气体及汽车尾气。本次测试断面均为最不利断面，测试结果表明，贯通后突出的主要有害气体CO,NO_x,SO₂等均满足要求。

　　 根据测试资料显示，洞内风速比贯通前增加较多，贯通前一般为0.2～0.5m/s，贯通后多为1～2m/s，部分段落甚至更高。经对气体做成分分析，由于工序改变，空气质量较好，但雾气较大，部分段落雾气影响后能见度较低。

　　 贯通前各工区均采用软风管独头压入式通风，贯通后网状通路形成，除5号支洞TBM工区仍采用压入式通风外，其余工区已不具备压入式通风的条件，因此，均拆除了压入式通风设备。因此，30余km隧洞和8.8km支洞构成了风网系统，如图2所示。在洞内外高差、气压差、温差、湿度差等作用下风网系统的自然风影响较大，且一天内随时间发生改变，5号支洞工区、出口工区、7号支洞工区均在不同时期出现洞内、洞口雾气现象。

　　 要分析利用自然风，首先应对自然风的形成原因进行分析。只要隧洞两侧有高差，并且隧洞所处环境中的空气密度不等时，则该回路便会产生自然风压，另外，洞外空气流动形成的动压也会对洞内自然风压作贡献，但一般较小，此处忽略。对于影响自然风的空气密度，其受多种因素影响，根据气体状态方程和道尔顿分压定律，可知空气的密度计算公式为:

　　 式中:P_sat为饱和水蒸气压力(不同温度下空气饱和水蒸气压力可通过查表得到)(Pa);P为大气压力(Pa);φ为空气的相对湿度(%);T为空气温度(K)。

　　 由式(1)可知，隧洞内外气体的密度与大气压力P、温度T和空气的相对湿度φ均存在关系。因此，影响自然风的主要因素为气压、温度、湿度。

　　 在标准大气压下，当空气温度处于-5～40℃时，相对湿度φ=0的空气(即干空气)和φ=100%的空气其密度相差很小，最大为3%，因此，由相对湿度差异引起的洞内外空气密度差异很小，从而对隧洞通风影响也很小。

　　 由于温度直接影响到密度，因此其对洞内自然风的形成贡献较大。

　　 大气压力是指单位面积上直至大气上界整个空气柱自重，是气象学中极其重要的一个物理量，它的分布和变化与大气运动及天气状况有密切关系。

　　 大气压力主要由空气密度计算得到，而密度又受温度、压力同时影响，因此，测量出的大气压力值实际上已包含温度影响，所以其实际作用为使隧洞两洞口端形成气流压差，可将其称为超静压差。

　　 由此，搞清各支洞口的超静压及洞内温度分布，则可分析洞内自然风的影响规律。因此，在数据采集、方案分析中应重点考虑相关因素。

　　 本次分析采用专业通风分析软件IDA,IDA是一个综合性的公路和铁路隧道通风与火灾模拟软件，由瑞典EQUA Simulation AB公司研发，在世界范围内被广泛应用。IDA可使用测量得到的气候数据和不同要求进行长期分析研究。据前面分析，利用该软件进行自然风分析中，着重考虑了洞内风流的热量交换、岩温影响以及洞内外温度等因素。

　　 结合工程经验，贯通后解决洞内能见度的方法主要有:(1)彻底解决方案通过增加机械设备调整风流方向;(2)改善现状方案通过增设风门来调整风网支路阻力，充分利用自然风，改善各支洞的风流从而改善洞内环境。考虑到贯通后洞内的通风机械重新配置较困难，另外，各支洞涉及不同的施工标段，统一设置调整难度较大。因此，考虑在尽可能简单的基础上分析研究自然风的利用问题。利用自然风时为调整各段落自然风速，考虑在5,6号支洞间及6,7号支洞间增设风门调整风速，增设风门后，对隧洞主体及5～7号支洞进行自然风的分析计算。由于测试数据受限，本次暂未考虑洞外超静压影响。大气温度按气象资料1月的平均温度取0℃，并试算不同大气温度时的通风效果，隧洞内部岩温考虑为(22±2)℃。基本气象资料取值如表3所示。根据各支路的截面处高程、里程、断面面积、水力半径等参数确定建立风网模型，IDA模型如图3所示。

　　 为实现控制6,7号支洞之间主洞风速的目标，拟在6,7号支洞与主洞交叉点的小里程一侧各设置风门，通过减小风门过风面积、增大局部压力损失来调节主洞、支洞间风速分配。风门所造成的突缩、突扩压力损失系数按JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》附录C确定，如表4所示。

　　 设定2种工况对比计算，工况1:门1采用20%过风面积，门2采用100%过风面积;工况2:门1和门2均采用20%过风面积。两种工况各支洞的风流大小及方向计算结果如图4所示。

　　 由计算结果可知，门2过风面积对5,6号支洞及其之间的主洞风速影响较大，对6,7号支洞间主洞风速影响较小。如要解决6号至7号支洞间的主洞风流形态，不建议用门2来实现。

　　 门1介于6,7号支洞之间，现分别计算与7号支洞不同距离时主洞的风速。

　　 设定3个工况进行比对分析，工况1:门1紧靠7号支洞;工况2:门1在6,7号支洞中央位置;工况3:门1紧靠6号支洞。计算结果三者一致，说明门1位置对风网中各支路风速的影响较小，实施中可不考虑。

　　 如前述门2的设置对本次目标影响较小，因此取消门2，逐步改变门1过风面积，6号和7号支洞间主洞内风速变化如图5所示。当门1过风面积占主洞断面积的7%时，风速0.63m/s;当门1过风面积占主洞断面积的5%时，风速0.46m/s，分别对应的过风面积为2.77,1.98m²。利用程序对不同的门1过风面积求算对应的正洞内风速(见图5)。

　　 当门1过风面积占主洞断面积的5%时，全隧道的风速分布如图6所示。

　　 通过计算，门1的面积对6,7号支洞间的风速影响较大，通过调整门1的面积，该风速最高可达3.5m/s。现场可根据6号至7号支洞间的工序安排调整门1面积，保证其断面的风速、风量要求。

　　 门1采用5%过风面积，不设门2，不同的洞外大气温度、岩温时，6,7号支洞间的主洞风速计算结果如表5所示。

　　 由计算结果可知，洞内外温度的变化对洞内风速影响较大。

　　 通过初步计算，各支洞自然风可满足洞内施工通风的风速要求，现场可增设风门，通过风门调整控制各支洞风速，从而满足各工区的施工通风要求。

　　 目前交通及水利行业关于隧洞内雾气的系统研究较少，采矿行业 ^{[11,12,13,14,15,16]}对矿井内的雾气有一定研究，但由于行业特点，其雾气研究多为南方洞外潮湿空气流入洞内降温后所致，因此多为夏季。而本项目为北方气候，洞口及支洞口段雾气的成因主要为洞内潮湿空气到洞口附近遇冷凝结和支洞口气压突然降低所致，因此雾气产生均为冬季。

　　 对于隧洞施工期雾气的消除应根据雾气产生的原因区分对待。本工程的雾气主要包括2个方面(篇幅有限，此处不详细说明)，6号至7号支洞间的主洞主要为洞内灌浆施工及车辆尾气等产生，5,7号支洞口、隧洞出口工区主要为洞内潮湿空气的焓值变化形成的水蒸气凝结所致。对于6,7号支洞之间的主洞，应结合关联工区的洞内作业，尽量增大风速，以不影响或少影响相关工区工序为原则，增大风速，以降低污染物浓度。对于洞口工区的雾气，可结合不同工区具体情况通过增加设备、改变气流方向予以解决，抑或增设风门后，结合风门开启情况观察雾气变化规律，改善洞内施工环境。

　　 现场实施中，通过增加风门观察总结影响规律、调整工序等措施，取得较好效果。

　　 1)根据气象资料，通过计算分析可知，通过调整风网支路、协调关联工区的施工内容等以利用自然风可行，但如科学应用，尚需测试更详细的资料和进行长期观测总结。

　　 2)风网中影响自然风的因素非常多，另外，气象条件复杂、边界条件多，要准确分析模拟非常困难。实践中应抓住主要矛盾，对权值较大的主要影响参数进行慎重选取和分析，才能总结好影响规律。

　　 3)在网状隧洞通风系统中，各工区的相互协调非常关键，因为每一支洞的调整和改变都会对其他支洞产生影响。

　　 4)由于风网求算影响因素较多，本文仅从其主要影响因素分析总体趋势，对局部贯通后施工通风的方案制订具有一定的指导和借鉴意义。但不同工程其总体布局、工期、高程、气象条件等差异较大，应具体研究。