三峽船閘輸水系統混凝土進度綜合分析及動態管理

樊啟祥，彭吉銀，史明勛，廖建新，李 果

(1.中國長江三峽集團有限公司，北京 100038；2.中國華能集團有限公司，北京 100031；3.國網新源控股有限公司，北京 100761)

1 三峽船閘地下輸水系統工程概況

1.1 三峽船閘輸水系統工程特性

長江三峽船閘從2003年6月試通航以來已經安全高效暢通運行17年，2019年三峽工程連續10年蓄水達到175 m正常蓄水位，三峽船閘為使長江成為名副其實的黃金水道發揮著重要骨干作用。船閘是實現三峽樞紐工程2003年初期蓄水發電目標的關鍵性骨干工程，地下輸水系統是船閘的主要組成部分，其設計及混凝土施工質量與船閘充泄水時間緊密相關，直接影響到船閘的通過能力和營運效益，是控制船閘按期安全投產的關鍵。

三峽船閘為雙線五級連續梯級船閘，是三峽水利樞紐二期工程中的關鍵性骨干工程[1-2]，設計總水頭113 m，單級最大工作水頭45.2 m，閘室有效尺寸280 m×34 m×5 m(長×寬×坎前最小水深)。船閘由上游引航道(長2 113 m)、主體段(長1 621 m)和下游引航道(長2 722 m)組成，總長6 456 m，按結構布置分為地上、地下兩大部分。主體段由山體排水系統、船閘土建工程(開挖、錨固、混凝土、灌漿)、船閘金結機電制造與安裝工程組成。地上主體段共由12個閘首及10個閘室組成，船閘各級間高差為18.0～20.75 m。地下輸水系統布置在兩側和中隔墩巖體內，由隧洞襯砌形成的輸水廊道、工作和檢修閥門、以及相應的啟閉機械組成。在閘室底板內布置有輸水系統的出水支廊道，底板的第一分流口和第二分流口結構縫距為24 m。三峽船閘橫剖面圖見圖1，從上游第一閘首到下游第六閘首包含地面閘室結構和地下輸水系統的主體段結構布置見圖2。

圖1 三峽船閘橫剖面

圖2 一閘首至六閘首結構布置

地下工程主要由順船閘軸線縱向對稱布置的南坡、北坡、中隔墩4條輸水隧洞，24條輸水閥門豎井組成。其中，中隔墩巖體內開挖一條隧洞，襯砌后分為兩條輸水隧洞。每條隧洞對應五級梯級閘室的輸水平洞和斜井，結構基本一致，每級平洞長約250 m，每級兩個輸水閥門豎井之間由長36 m、傾角57°的斜井進行連接[3]。輸水隧洞開挖總長約5 500 m，輸水閥門豎井混凝土襯砌長度累計為3 440 m。

三峽船閘總水頭113 m，采用只補不溢的方式劃分水級，閘室補水直接通過控制輸水系統的閥門進行，充泄水最大工作水頭45.2 m。輸水系統采用長隧洞等慣性形式，主廊道宜改用每線船閘兩側輸水的布置方案；閘室采用底部4區段8分支廊道等慣性頂端分散出水加消能蓋板消能方式。船閘一次充泄水時間要求等于或小于12 min，一次充(泄)水體最大達23.7萬m3，連續梯級間的輸水體積達46萬m3。三峽船閘第四級至第五級輸水系統及閘室底板分流系統結構布置立體見圖3。

圖3 三峽船閘第四級至第五級輸水及閘室分流系統立體示意

地下輸水系統僅在北線輸水隧洞北側布置了一條平行于輸水隧洞的地下施工支洞。結合船閘充泄水系統布置特點，充分利用永久結構，支洞與每級船閘的連接通道，在閘室中部與三條輸水平洞以及南、北兩線船閘閘室底板垂直貫通。三峽船閘施工支洞與輸水系統的關系見圖4。

圖4 三峽船閘施工支洞與輸水系統及各級閘室關系

1.2 三峽船閘輸水系統控制性工期關系

進度管理是項目管理的主要內容，里程碑目標是實現最終項目建設目標的重要節點。三峽船閘地下輸水系統工程于1998年基本完成地下洞室開挖后，第一、六級平洞開始澆筑襯砌混凝土；1999年三季度各級平洞、斜井全面開始襯砌混凝土施工。按照三峽船閘2003年6月試航完成并具備試運行條件的要求[4-5]，2002年5月31日要完成金屬結構和機電設備安裝與單個閘首單機調試，7月具備系統無水聯合調試條件，10月開始抽水聯調。系統無水聯合調試時段為2002年6月1日～2002年9月30日，系統抽水有水聯合調試時段為2002年9月30日～2003年5月15日，以待三峽工程實現135 m初期蓄水目標后，即轉入有水試運行階段。

三峽船閘輸水系統平洞及斜井混凝土施工具有工作面空間小、洞室襯砌結構異型斷面多、施工難度大、質量要求高、材料和混凝土運距長等主要特點。對比船閘控制系統調試及有水調試目標，綜合分析船閘地面閘室底板混凝土工程、輸水隧洞閥門豎井工程以及輸水平洞混凝土工程之間的關系，考慮各級施工支洞對應的輸水系統平洞襯砌混凝土，因施工通道和結構布置特點所致采取退澆法的施工方法，平洞及斜井完工時間制約各級地面閘室第一分流口底板混凝土施工及各級施工平洞最后的封堵時間，控制著船閘有水調試的開始時間。

到2000年11月底，一、二、三、四級閥門井已經全面開始井身混凝土施工，通過采取整體滑模施工工藝，掌握了由混凝土施工向閥門井反弧門安裝及單級單閘首船閘機械、電氣、液壓系統聯合調試的主動。第五閘首工程通過調整施工組織與合同界面關系、增加施工手段、優化工藝過程、優化作業流程、完善資源配置等綜合措施，并通過加強集成化設備安裝、協同化專業組織、精細化施工組織及嚴密的過程管控，反弧門安裝、調試等節點工期及船閘按期投運的總工期得到了保證[6]。此時，船閘輸水系統平洞及斜井混凝土施工成為關鍵，并要求2002年上半年混凝土施工結束。

2 平洞混凝土進度綜合分析

2.1 混凝土結構特性

三峽船閘地下輸水系統工程結構設計復雜，洞洞交叉、洞井相貫、洞中套洞、井內有井，且斷面多變[7]。兩級閘室間典型結構及相互關系見圖3。南北坡輸水隧洞開挖標準斷面尺寸6.2 m×7.2 m，最大開挖斷面尺寸6.5 m×9 m；中隔墩輸水隧洞開挖標準斷面尺寸13.5 m×8.05 m，最大開挖斷面尺寸16.4 m×11 m。襯砌厚度方面，平洞底板邊墻60～500 cm，頂拱125～301 cm，斜井60～165 cm，豎井100～500 cm。

輸水平洞斷面為城門洞型，其尺寸和面積在第1級主廊道為5 m×6.7 m和30.8 m2，其他級分別為5 m×5.4 m和24.32 m2；標準段襯砌斷面尺寸有11種之多，且最長一段直洞長度僅為127.52 m。每級平洞共有24段坡比為1∶7或1∶8的斜坡段，起降坡處均為圓弧過渡；輸水系統第一進水口和第六出水口均還有與上航道、下航道連接的彎段。輸水系統有72個漸變段，包含19種不同的尺寸。

輸水斜井共有12條(襯砌后為16條、中墩襯砌后一分為二)，由上、下彎段和中間直段構成，其中直段為漸變結構。二級斜井長21.9 m，底拱傾角54.5°、頂拱傾角57.6°，斷面高由5.5 m漸變至6.7 m；三級～五級斜井長35.2 m，底拱傾角56.9°、頂拱傾角57.5°，斷面高由5 m漸變至5.4 m；二級～五級斜井斷面均為寬5 m、頂拱半徑R2.5 m，底拱兩側圓弧半徑R0.5 m。斜井具有數量多、長度短、體形復雜、施工難度大，尤其是邊墻高度漸變等特點，是一個變截面的斜井。

針對平洞混凝土施工初期出現的裂縫情況，開展了輸水隧洞水工襯砌混凝土溫控防裂綜合措施的研究[8-10]。通過襯砌混凝土全過程溫度實測及數值仿真分析，在采取混凝土性能指標及配合比優化等措施的基礎上，從確保質量出發，將平洞標準結構塊設計長度由12 m調整到8 m。

2.2 混凝土施工順序

三峽船閘輸水系統采用閘室雙邊主廊道輸水，主廊道為上圓下方的城門洞形隧洞，距船閘中心線26.75 m。中隔墩的兩條輸水廊道施工時先開挖成一個隧洞，然后用混凝土隔墻將其分為兩條輸水隧洞。每條輸水隧洞共設6個工作閥門，其上下各設一個檢修門槽，閥門段廊道內為矩形斷面，第1、6道閥門斷面尺寸4.5 m×5.5 m，其他閥門斷面尺寸4.2 m×4.5 m。如圖2～4所示，各級船閘只有一條布置在北側的施工通道，整個工程施工只能沿南側山體內的南線輸水系統、向南線閘室第一分流口、中隔墩輸水系統、北線閘室第一分流口、北線輸水系統的順序及結構分塊依次展開。對每級船閘來講，施工通道直接采用山體內每級輸水系統到閘室第一分流口的連通隧道，其位置基本在閘室中部，其上游側是各級輸水閥門井后的平洞，其下游側為下一級船閘閥門井前面的輸水斜井，只有上游側平洞與下游側斜井混凝土澆筑到與平洞的交匯處，并完成輸水平洞T型管及漸變段施工后，才能為每級船閘閘室第一分流口交匯處的底板及襯砌直立墻提供施工條件。每級船閘輸水系統混凝土施工順序見圖5。

圖5 三峽船閘輸水系統混凝土施工順序

2.3 混凝土分塊澆筑單元工期

三峽船閘輸水系統混凝土施工方法，從初期的散裝鋼模板，到定型組合鋼模板及滑模系統，施工工藝與施工工效得到逐步提高，質量得到保證。根據已施工混凝土襯砌結構塊的施工工期統計資料，結合對結構塊工序、工程量、工藝與勞動力投入、全過程平行檢查驗收的分析計算，確定了結構塊單元工期，作為計劃編制與實施控制的基礎。三峽船閘輸水系統襯砌混凝土各結構塊的單位澆筑工期如表1。

表1 三峽船閘輸水系統分結構塊澆筑單元工期 d

2.4 施工技術與方法

輸水系統平洞標準段混凝土采用先底板、后邊頂拱的施工程序，底板采用散裝翻轉式鋼模，注重底板弧線段混凝土表面氣泡的處理[11]；邊頂拱以鋼模臺車為主，在混凝土施工初期的少數洞段采用散裝鋼拱架。

斜井混凝土先期在第一級和第六級的上、下彎段采用先底板、后邊頂拱的施工程序，上、下彎段采用散裝鋼管拱架模板；后通過質量、安全及工期工效的綜合分析，開展斜井滑模施工技術的創新攻關(見圖6、7)。三峽船閘輸水斜井實際采用的滑模技術，在分析散裝模板的基礎上進行了分體式與整體式滑模技術的創新。二級到五級斜井斜直段均采用滑模施工，有全斷面整體滑模以及底板與邊頂拱分體式滑模兩種類型，依照總工期并考慮滑模的周轉使用，在不同洞段使用不同的斜井滑模技術[12-13]。襯砌混凝土均采用泵送入倉。平洞鋼筋施工不占直線工期，未考慮底板混凝土跳倉與連續短間歇等作業方法。

圖6 斜井全斷面變徑滑模廠內拼裝

圖7 輸水系統斜井邊頂拱滑模施工

2.5 混凝土模板選型及周轉配置

輸水平洞鋼模臺車。南一及北一平洞是首先施工部位，城門洞型邊頂拱采用散裝鋼拱架模板澆筑，隨后施工其他洞段，混凝土邊頂拱襯砌全部采用鋼模臺車。輸水平洞共需12臺邊頂拱鋼模臺車，其中12 m長8套，8 m長4套。到2000年11月底，已有12 m長6套，8 m長2套；到12月中旬12 m長投入2套(中三平洞)，8 m長投入1套(南四平洞)，同時將北三平洞一套倒入南三平洞；2001年2月投入1套8 m長鋼模臺車進南五平洞；到2001年1月下旬，中一平洞及中六平洞12 m模板視中二、中五平洞開澆時間倒裝，中一平洞與中六平洞模板于2001年3月及2000年12月提供，中六平洞模板需修整1～2個月。

輸水斜井及斜井直段滑模模板。混凝土澆筑初期，南二斜直段底板滑模施工于2000年11月完成。南三、南四、南五采用底板和邊頂拱分離式滑模施工方法，共制作底板滑模6套，于2000年11月中至12月底完成南側施工后再轉入中三、中四、中五時增加3套。北坡二、三、四、五斜井均不占用直線工期，可待中隔墩底板滑模施工后轉入，中三、中四、中五底板滑模于2001年1～4月施工，2001年3～4月轉入北坡施工。先期施工的南二斜直段邊頂拱采用散裝鋼管架模板，隨后南坡、北坡斜井直段邊頂拱采用滑模施工，南坡施工于2000年12月初到2001年3月中旬完成后轉入北坡施工(2001年4月～8月)。

加快斜井全斷面滑模的研制與現場試驗。中三、中四、中五斜井直段邊頂拱，原計劃按散裝鋼拱架模板施工；根據斜井底板、邊頂拱分離式滑模試驗情況，進行了斜井直線段全斷面整體滑模施工方案設計和關鍵技術研究，并在現場試驗成功的基礎上，2000年12月中旬加工2套投入中四斜井，2001年1月中旬再加工1套投入中五斜井。

2.6 灌漿工程

隧洞回填灌漿、固結灌漿以及封堵混凝土的接縫灌漿，按施工技術要求連續施工，在最后一塊混凝土澆筑后2～3個月內完成。

2.7 綜合計劃成果分析

按照上述原則及參數，利用p3軟件編制了進度計劃，進行資源強度分析，綜合計劃成果表明：

(1)二、三、四級平洞斜井混凝土施工關鍵路線為中隔墩斜井、T形(十字形)管及漸變段施工，在斜井模板資源配置上共6套，以確保中三、中四、中五不受制約，同時研究中隔墩大斷面斜井邊頂拱滑模方案。

(2)T形(十字形)管部位體形復雜，鋼筋布置復雜，并布置有結構加強錨筋，在施工安排上，組織錨桿臺車在平洞與斜井混凝土施工時段內將結構錨桿施工完成，以不占直線工期。根據設計配筋，對T形管(十字形)通過制作實體縮尺(1∶10)模型，以在鋼筋安裝順序及模板體形上做好技術與資源準備，有利于指導實際施工，確保施工質量。

(3)南五平洞及中三、中四、中五斜井欠挖處理及基礎驗收不占混凝土施工的直線工期，南五閥門豎井井口新增混凝土擋墻待澆筑到頂提供作業平臺后，南五閥門井及南五檢修井作業可以從井口進行材料運輸，不再占用南五平洞。

上述進度計劃，使梯級連續船閘的二級～五級平洞封堵及堵頭混凝土冷卻、接縫灌漿與固結灌漿完工時間為2002年6月到8月底，可以滿足2002年10月1日船閘有水調試工期要求。

3 混凝土施工進度的動態管理

3.1 三峽船閘混凝土施工空間信息系統

三峽船閘工程建設過程中，開展了空間信息管理系統在船閘混凝土施工管理的應用研究[14]。這項研究在三峽一期工程中臨時船閘航道整治工程的基礎上展開[15]。在臨時船閘上下游航道整治工程中，通過空間信息系統建立的水下三維地質地形模型及設計要求，可以直觀形象準確顯示各類巖性的設計界線、并可以根據結構設計及合同計量規則，計算不同屬性的工程量，結合項目建設過程中的地形測量及設計地質巖性鑒定，就能確定工程形象及完成工程量的關系，并能根據管理要求進行進度分析預測，為水下地形地質分析、開挖計劃管理、工程量復核計算以及項目施工組織提供了科學的依據。

三峽船閘混凝土施工管理系統的三維空間信息，是由具備分析條件的圖形式模型構建的真三維全柘樸空間結構。系統中的每一個空間點、每一個單元結構都有精確的三維坐標及相應屬性，通過設計信息及施工過程信息的融合，可以根據項目管理需要進行業務分析。三峽船閘混凝土施工管理信息系統的開發工具，一是使用VB6.0及Access建立核心數據庫，微軟公司VB6.0用來開發圖形顯示和基于數據庫的應用程序，微軟Access數據庫支持SQL操作，VB6.0可以非常方便地訪問Access數據庫，使用兩種軟件可以開發高效率的數據庫應用程序；二是使用專業欠量圖制作軟件AutoCAD進行布爾運算及三維建模，可以建立基本的三維形體，也可以通過拉伸、切割以及布爾運算等操作建立復雜的三維體，通過對已建立的復雜三維模型與程序控制的簡單形體進行布爾運算，得到所需要的實際三維形體及其實際體積值；三是使用成熟的流行的三維圖形交互處理軟件顯示系統，利用它可進行矩形等組合形體的顯示。

三峽船閘混凝土施工管理信息系統，在數據庫結構設計上包括3個核心數據庫：一是外形特征庫，根據設計平面圖、大壩立面、剖面圖等第一手資料建立包括了結構外型、縱縫、約束區高度等信息的三維結構模型，作為建立另外兩個數據庫的基礎；二是分塊標志庫，根據約束區高度及縱縫位置等限制條件，建立分塊庫，以后根據施工實際調整分塊信息，力圖準確，及時反映各部位的實際施工情況；三是澆筑塊屬性庫，在以上兩個數據庫的基礎上，選取需要的各種信息與澆筑塊分別對應，包括塊的外型數據、工程量、時間信息、單位信息、施工信息等。

建立屬性信息庫，便于業主及時了解和掌握整體施工狀況，同時也可作為單元驗收資料的歸檔和整理。三峽船閘混凝土施工管理信息系統，主要是用來顯示澆筑及開挖單元的實體集合，并提供基本的三維圖形交互功能如旋轉、縮放、平移并顯示實體的屬性等操作，同時也可以任意設置各實體的元素屬性，如單元類型、背景、文字及線條等，控制單元編號以及高程、齡期等信息。如船閘襯砌混凝土三維結構模型，猶如施工現場和過程的再現，不僅清楚地描述了各建筑物的匹配關系，而且為施工和管理人員解決混凝土施工中的約束、齡期及高差等問題起到了決策和分析作用。

3.2 工程進度計劃的動態管理

工程進度計劃動態管理的主要內容是某時間點工程形象及工程量的完成情況及匹配關系，進而對施工組織、施工技術進行分析比較。三峽船閘項目管理過程中，建立了每周進度計劃制定及檢查分析機制，重點對完成形象、完成工程量、合同結算工程量并結合設計工程量及該時間點的計劃形象，進行動態對比分析，這樣不僅如實反映了工程進度，而且與工程造價緊密結合，可以有效地指導工程組織。對于工程量與進展形象的差異，空間管理系統可以直觀地計算顯示出來，提示項目管理工程師結合設計圖紙、計量原則、投標報價與規程規范查清差異原因。

三峽船閘混凝土施工空間信息系統具有查詢與分析的功能，其設計原則就是從三峽工程實際出發，密切結合管理實踐，用最先進的軟件，實現了工程進度形象的自動更新與動態查詢；其最大特點就是利用最先進的地理信息系統工具，建立了嚴格工程意義上的三維地形模型、三維地質模型及三維混凝土結構模型，具有精確的三維實體模型和三維地質模型，從而建立了一種迅速而科學的工程量計算方法。

三峽船閘混凝土系統以單元工程為基礎，通過過程數據更新和網絡共享更新形象面貌，以及對各單元工程不同階段的完成情況設置不同的顏色屬性，就能直觀、及時地展現更新的工程形象及工程量變化情況，進而掌握計劃實施情況。三峽船閘第五級中隔墩輸水系統竣工形象見圖8。基于三維可視化的三峽船閘混凝土空間信息系統成為指導工程建設管理及施工組織生產調度的有力工具。

圖8 第五級中隔墩輸水系統竣工形象

基于三維可視化的三峽船閘混凝土空間信息系統成為指導工程建設管理及施工組織生產調度的有力工具。三峽船閘混凝土施工空間信息系統建立了電子圖庫，通過工程圖紙資料的電子化管理、工程建設過程電子檔案管理、工程建設過程信息共享管理，為建設各方提供了共同的、統一的工程資料和進展信息；通過利用系統中的信息數據，綜合設計信息、過程信息、合同信息，就能根據管理者的需求制作專題地圖；同時，空間信息系統打通了與其他應用系統的接口，如與進度計劃編制軟件P3的對接，使工程形象、工程量與網絡計劃及資源配置協同工作，提高了工程管理效率。

4 結 語

三峽船閘輸水系統通過制定建立在有效的技術保障、嚴密的施工組織、嚴格的施工程序、扎實可靠不返工的工藝作風基礎上的工程進度計劃，集成凝聚了工程建設各方的智慧與力量，在具體實施中進一步采取了強化施工準備、嚴格過程全面管理等措施，對每道關鍵工序與交叉、平行作業嚴格按照計劃組織落實，并配套制定落實了切實可靠的安全與質量措施，始終做到精心組織、精心施工。

雖然三峽船閘地下輸水系統混凝土施工任務非常艱巨，但通過全面的綜合進度分析，統一認識、明確重點，具體落實技術、程序與管理的每一環節，強化過程控制，在建設四方的共同努力下，地下輸水系統混凝土與灌漿工程的施工質量與進度滿足了三峽船閘2002年9月初提前開始有水調試的目標。同時在船閘建設過程中，建立了直接面向工程一線的三峽船閘混凝土工程空間信息系統，通過借助計算機強大多樣的功能使項目管理者擁有了一個更加信息化、更加科學化的可視化施工管理工具，從而有利于提高管理效率，提高工程建設管理水平。

三峽船閘2003年6月試通航以來已經安全暢通高效運行17年，各項檢測數據表明船閘輸水系統運行正常，在緊張的工期約束及優質的混凝土質量目標要求下，技術創新和管理創新可以帶來工程建設的綜合效益。