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CT3330

液压结构沉箱

演讲笔记

2011年二月版 M.Z. Voorendt, W.F. Molenaar, K.G. Bezuyen

目录

前言 2

阅读这些注意事项 2

1. 沉箱介绍 3

1.1定义 3

1.2分类 3

1.2.1标准沉箱 3

1.2.2气动沉箱 3

1.3沉箱的最终位置/沉箱的最终位置 4

1.4功能 5

1.5标准沉箱施工 6

2. 沉箱发展史 7

2.1古代 7

2.2二十世纪 10

2.3现今沉箱的应用 - 特殊应用 15

前言

这些讲义是团队合作的结果。 Wilfred Molenaar发起了这项工作，并提出了宝贵的改进方向。 Kees Bezuyen就设计方法提出建议，Henk Jan Verhagen在设计实例中帮助推理潮汐盆地关闭背后的原因。 根据在沉箱设计和施工方面的经验，Cor Ramkema提出了宝贵的意见。 Joris Schoolderman对英语的表达上进行了修正。 非常感谢所有的帮助。 我也非常感谢Han Vrijling教授给我机会，以这种方式来传授几代液压工程师的一部分知识和经验。

Delft, 2011年1月

Mark Voorendt

阅读这些注意事项

这些关于沉箱的课堂讲稿是属于课程“液压结构1”(代码CT3330)的一部分，也是科学教育学士和代尔夫特理工大学土木工程专业学生，科学教育硕士的水利工程项目的一部分。 在设计沉箱时，必须应用BCS课程中处理的许多原理和工程技术。 学生面临的挑战是结合（刷新）已经收集的知识和积累的经验，以开发更广泛的水平结构设计视角。

由于其对设计的影响较大，在这些演讲中也将对施工方面进行讨论。然而，我们意识到这些方面在不同地点之间有很大的不同，所以这个重要的事情肯定不能在所有的细节和类别上进行讨论。尽管要尽量简化沉箱的设计和处理工作，因此这些讲义不应被视为沉箱设计的完整指南。相反，这里将会说明处理广泛范围的一般方法，这些方面必须加以考虑。应该强调的是，设计师应该利用他所有的想象力和常识来处理与手头项目未来可能出现的相关问题。古代哲学家老子曾说过，在发生问题之前更容易解决问题。这就是为什么在工程实践中吸取同行设计师的经验是非常有用的，如果情况与以前的情况不同，应进行规模模型实验，以防止施工和运行过程中的问题。特别是在后一种情况下发生的问题可能是相当耗时且非常昂贵的解决方案。

为了方便用户，其他液压结构课程材料（“通用”讲义和“手册”）的相关部分已经复制到这些讲义中（大部分在附录中），因此只有底层体积必须咨询准备第一个概念沉箱设计。对于沉管隧道，在某种程度上可以被认为是沉箱的物体，已被忽略，因为它们在钻孔沉管隧道中被处理（CT5305）。

对于荷兰理学士学生来说，这可能是英语的第一门课程之一，所以有些非常具体技术术语已被翻译成荷兰语（用括号和斜体表示）。

沉箱介绍

1.1定义

“沉箱”是法语，被翻译成“大胸”，指沉箱的大体形状。 在土木工程中，沉箱可以被定义为保持水密箱（或箱），以便在施工期间防水，也可用于更永久的目的。 沉箱始终是较大结构的一部分，如防波堤，底座或地基。 因此，沉箱在桥梁，码头，锁头，防波堤等许多项目中都有广泛的用途。 沉箱也是预制开发的结果，以避免在湿地中现场混凝土的艰苦和昂贵的建造。 通常，沉箱是预制的，并在以后的时间运送到最终位置。在那里，它们将主要以两种方式处理，这取决于沉箱类型。

1.2分类

一般说来，在土木工程中可以区分两种主要的沉箱类型：标准沉箱和气动沉箱（图1-1）。 在一些文献中也提到了一种“开放式沉箱”类型：或多或少的标准沉箱没有底板，但这种类型在这些讲义中没有考虑。

1.2.1标准沉箱

标准沉箱一般都是预制的，在水上运输，沉浸在河床或海床上，必须完成其功能。为了定位和防止沉箱的过度沉降，床必须用石层，混凝土垫或基台来准备。有时被称为“盒式沉箱”的沉箱的标准型有一个底板，侧壁和头壁，以使其浮动。有时候有一个屋顶可以在部分浸入之后预制或构造。 标准类型的变型是闸门或流通沉箱，其在壁中具有临时闸门，以便在一个或多个沉箱彼此相互放置之后减少剩余间隙中的电流。

1.2.2气动沉箱

另一种主要的沉箱式气动沉箱是在地面层上建造的，必须沉入土壤中，这可以通过在压缩空气下从沉箱内挖掘来实现。 由于用于这种沉箱的“潜水钟”原理，被称为“气动”沉箱。在底板下面有一个封闭的工作空间，工人可以挖掘，挖掘的土壤可以从中移除。底板周围的切割边缘（snijrand）有助于沉入土壤。

气动沉箱的优点是脱水（使用泵）不必要，在沉箱周围的空间要求相对较小，并且在没有主要的疏浚工程的情况下可以将其沉没。 主要的缺点是需要在压缩空气中工作，这就要求工程师之后采取缓慢的减压，以避免沉箱病。

图1-1两种主要沉箱类型示意图：标准沉箱（左）和气动沉箱（右）

1.3沉箱的最终位置/沉箱的最终位置

考虑到沉箱最终存在的问题将会回答到沉没的位置，这个位置是其使用寿命的最大部分。在其使用寿命期间，沉箱通常是更大结构的一部分，并且如果现场难以到达，则通常优选到现场施工。在下图中，显示了一些典型水力结构中沉箱最常见的位置; 毫无疑问有各种其他的可能性。在这些结构中，沉箱可以单独使用或排列使用（图1-2和图1-3）。关于与土壤的连接，可以区分自由站立和部分或完全嵌入的沉箱（图1-4和图1-5）。

单独 排列

图1-2用于桥墩基础的独立沉箱 图1-3建立在码头的沉箱

特别是对于桥梁，设计团队通常分为下层结构和上层建筑设计团队。 沉箱始终属于子结构，通常是基础的最重要的结构元素。

图1-4自由（左）和部分嵌入（中，右）

图1-5完整的嵌入/覆盖沉箱; 标准沉箱（左），气动沉箱（右）

1.4功能

沉箱的主要功能通常是土壤或水的保留，并将垂直和水平载荷转移到底土中。 较不频繁的功能是为设备或机械提供空间，并锁定船舶，如果沉箱是锁或障碍物的一部分。

更具体地说，关于应用，可以区分以下应用：

·关闭堤防和水坝（封闭和流通沉箱）

·防波堤

·码头墙

·存储

·隧道元件

·桥墩，灯塔，风车等基础

·特价：

- 水电站套管

- 一个干坞门。

当然，可以组合起作用，就像在摩纳哥一样，352米长的沉箱作为防波堤，码头和停车场。 在摩纳哥，这种结构被称为“digue flottante”，盎格鲁撒克逊人将结构更正确地描述为浮动防波堤。 在Krol [2007]的MSc-论文中已经提出了功能组合的另一个例子，其中存在沉箱的码头墙也用于储存原油。

1.5标准沉箱施工

图1-6显示了构造的流程图（标准）

沉箱。取决于具体情况该项目通常由地

理位置决定最后的沉箱位置，可能显示

的活动进入或排除。虽然展示了活动或

多或少在现实中线性时间顺序它们可能

同时进行。

第3章更详细地介绍了标准沉箱施

工。

图1-6标准沉箱施工流程图

沉箱发展史

2.1古代

自罗马帝国时代以来，民用和军事工程的沉箱被用于各种目的。 在这些演讲笔记的研究中发现的沉箱的第一次应用是公元前约250年，在埃及亚历山大，其中使用水密沉箱来建造码头墙。 建造木材模具（mal）作为木材沉箱的一部分，并在该模具中铸造砂浆块。 在浮动沉箱的帮助下，该模具然后被定位在码头墙所需的位置[De Gijt，2010]。

图2-1用于运输砂浆块的浮动沉箱，公元前250年的亚历山大

后来在公元前13年，“希律王大帝”命令建造了位于地中海沿岸地区最大的犹太区凯撒利亚港。鼹鼠（havenhoofd）是由浮动单位建造的：预制的木制外壳，通过水（浮动）运输和在石头上通过压载浸入的正确位置（图2-2）。这些沉箱的尺寸为15times;5.5times;2.7米; 排水量为220吨。[伯恩斯坦1994]

大约1500年后，（1552年）第一个俄罗斯沙皇伊万可怕的俄罗斯喀山使用了沉箱式的木结构。 这些沉箱是预制的，然后浮起伏伏加河，用于攻击。 进行了许多其他建筑工程，以打败喀山，例如 挖掘非法人员破坏城镇（借助火药）。 [伯恩斯坦1994]

图2-2公元前13年，犹太人凯撒利亚港的摩羯座的木材沉箱

两个世纪后，英国工程师罗伯特·韦尔登（Robert Weldon）发明了一艘电梯，他称之为“Hydrostatick Caisson Lock”。这种沉箱锁是一种运河锁，旨在提升和降低Shropshire运河（一条建造用于向东Shropshire工业区供应煤，矿石和石灰石的浴缸运河）的船只。船舶的垂直运输发生在一个沉浸式密封的沉箱中，该沉箱在大型水箱，水箱中上下移动（图2-3）。从1792年到1799年进行了几次测试，首先是半原型机型。在一次测试（最后一次）中，邀请的投资者几乎窒息，因为沉箱被卡住了，之后他们退出了项目。 1817年在伦敦北部（卡姆登锁）进行了沉箱锁的另一次测试，但这也不是很成功[Somersetshire煤渠社会，2008]。不管这个发明可能有多么有趣，这种类型的锁不是我们通常认定为沉箱的。

图2-3罗伯特·韦尔登（Robert Weldon）在奥肯根（Oakengates）的沉箱锁

十九世纪中叶，用压缩空气的煤气灶被用来在煤矿中建造井。 超压将水从轴上推出，所以工人可以继续在干燥的工作空间中更深地挖掘。 这首先在法国（1841年）和以后（从1850年）在英国煤矿开始执行（图2-4）。 [Nebel，2007]

工程师们发现，他们可以用同样的方式为桥墩建造基础，他们首先在维希（法国），后来也在英国（例如，1859年在康沃尔郡的皇家阿尔伯特桥墩，以及Firth of Forth铁路 桥梁在苏格兰，1890年）和美利坚合众国（例如纽约布鲁克林大桥和圣路易斯密西西比大桥），其他国家。 [Nebel，2007]

图2-4气动应用印象

矿井中的沉箱

气动沉箱的功能如下：由于沉箱的密封分隔壁内部超压，为工人创造了干燥的工作空间他们挖（图2-5）。 他们可以通过一个气锁进入工作空间，从而确保过压保持。 水闸用于将挖掘的土壤从工作空间中取出：将井（或轴）放置在沉箱中，使得这些管的下端到达内部水位以下的土壤中的坑。 由于沉箱内的压缩空气，水保留在管中。 水在管中上升，这样空气就被锁住了。 挖掘出的地球和石头可以倾倒在坑中，从那里可以很容易地通过水桶与桶一起移除。 由于挖掘和帮助切割边缘和沉箱的重量，它将挖掘到土壤中。 有时需要在沉箱顶部加一些质量。

布鲁克林大桥基金会（纽约图2-6）说明了这一原则。 1883年建成时，这座长达1825米的桥梁是世界上规模最大，最先进的钢丝悬索桥。 码头建立在沉箱上，挖入土壤，直到达到一层床岩。 沉箱由木材制成，内衬衬有锅炉铁，使其气密。 该图显示了在压缩空气中工作的人。 也可以清楚地区分出废物管。 在木材沉箱之上，砖石码头被建成，增加了更多的重量。 此时布鲁克林大桥仍然依赖于这些原木码头。 [哈珀的月刊，1883]

图2-5气动沉箱示意图 图2-6纽约布鲁克林大桥码头的基础

这种类型的地下室施工似乎是非常有利的，但由于某种原因，相当数量的工人遭受内伤甚至死亡。 这些健康问题很快就是压缩空气引起的。 特别是法国生理学家和政治家保罗·贝特（Paul Bert）研究了人体快速压力变化的结果。 他发现主要的问题是减压。 如果人类太突然地从压缩空气中排出，通常溶解在体液和组织中的人体内的惰性气体（通常为氮气

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