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2.1古代

民用和军事工程中的沉箱自罗马帝国时代以来就被用于各种各样的目的。在这些讲义的研究中发现的沉箱的第一次应用是在大约公元前250年不列颠哥伦比亚省，在埃及的亚历山大港，那里用水密的沉箱建造了码头墙。木材模具是作为木质沉箱的一部分而建造的，并且在该模具中浇铸了砂浆块。借助于浮动沉箱，然后将该模具定位在码头墙的所需位置[DeGijt，2010]。

图2-1亚历山大公元前250年，浮动沉箱用于运输砂浆块

在后来的历史上，公元前13年，希律王下令建造凯撒利亚港，朱迪亚，成为东地中海沿岸最大的城市。这防波堤是用木头做的浮动单元:预制的木质外壳，在水上(浮动)和正确的位置上运输用石头压碴浸没(图2-2)。这些沉箱的尺寸为15times;5.5times;2.7米;该排水量为220吨。[Bernshtein1994]

大约1500年后，(1552年)第一个俄国沙皇伊凡·雷帝在俄国喀山的进攻中使用了沉箱式的木架。这些沉箱是预制的，然后漂到伏尔加河下游用于攻击。为了打败喀山，俄国还进行了许多其他的建筑工程，例如挖掘破坏城镇的隧道(借助火药)。[Bernshtein1994]

图2-2 约公元前13年，犹太凯撒利亚港的摩尔河用木沉箱

大约两个世纪后，英国工程师罗伯特·韦尔登发明了一种船舶升降机，他称之为“水闸式沉箱锁”。沉箱船闸是运河船闸的一种，其目的是在什罗普郡运河(一条用于向东什罗普郡工业区供应煤炭、矿石和石灰石的桶形运河)中升降船只。船舶垂直运输是在一个浸没的、密封的沉箱中进行的，沉箱在一个大的水箱中上下移动(图2-3)。从1792年到1799年进行了几次测试，第一次是在半尺度模型上。在一次测试中(最后一次)，被邀请的投资者几乎窒息，因为沉箱卡住了，之后他们退出了项目。1817年，在伦敦北部对沉箱船闸进行了另一次测试(卡姆登船闸)，但也不是很成功[萨默塞特郡煤炭运河协会，2008]。无论这项发明多么有趣，这种类型的船闸都不是我们通常称之为沉箱的船闸。

图2-3 罗伯特·韦尔登在橡树城的沉箱船闸

19世纪中叶，煤矿用压缩空气的木框建造矿井。超压将水从井筒中挤出，这样工人们就可以继续在干燥的工作空间里挖得更深。这首先在法国(1841年)进行，后来(1850年)也在英国煤矿中进行(图2-4)。[Nebel,2007]

工程师们发现，他们可以用同样的方式建造桥墩的基础，他们第一次使用这种方法是在维希(法国),后来还在英格兰(例如1859年康沃尔郡的皇家阿尔伯特大桥的桥墩、1890年苏格兰的福斯湾铁路)和美利坚合众国(例如,在纽约布鲁克林大桥和密西西比河圣路易斯桥),紧随其后的是其他国家。[Nebel,2007]

气动沉箱的功能如下：由于沉箱的气密隔板内部存在超压，工人可以设置干燥的工作空间以便挖掘（图2-5）。他们可以通过气闸进入工作空间，确保维持过压。水闸用于将挖掘出的土壤从工作空间中取出：将井（或竖井）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凹坑。由于沉箱内的压缩空气，水保留在管中。水在管中上升，这样空气就被锁在外面了。挖掘出来的泥土和石头可以倾倒入坑中，只需用桶轻轻地将其移到水中即可。由于挖掘和借助于切割边缘和沉箱的重量，它将自己挖掘到土壤中。有时需要在沉箱顶部有额外的质量。

布鲁克林大桥基金会（纽约，图2-6）说明了这一原则。1883年竣工时，这座桥长1825米，是世界上最大和第一座钢丝悬索桥。桥墩建立在沉箱上，沉入土壤直到达到一层床岩。沉箱由木材制成，内部衬有锅炉熨斗，使其气密。该图显示了在压缩空气中工作的人。还可以清楚地区分渣土管。在木质沉箱的顶部，砌筑了码头，增加了重量。布鲁克林大桥此时此刻依然存在这些原始的木材码头。[Harper#39;sMonthly,1883]

图2-5 气动沉箱示意图 图2-6 纽约布鲁克林大桥的码头基础

这种类型的地下室建筑似乎非常有利，但由于这样或那样的原因，相当多的工人遭受内伤或甚至死亡。很快发现这些健康问题似乎是由压缩空气引起的。特别是法国生理学家和政治家保罗伯特研究了人体快速压力变化的结果。他发现主要问题是减压。如果人类突然失去压缩空气，人体内的惰性气体（通常是氮气）通常溶解在体液和组织中，将从物理溶液中排出并形成气泡。当然，这对人体不利。因此，为了防止受伤甚至更糟，工作人员被建议（后来作为标准处方）在减压工作后缓慢适应减压罐中的大气条件。[TheColumbiaElectronicEncyclopaedia,2007]

然而，在沉箱上建造桥墩的经历是积极的，所以法国结构工程师古斯塔夫·埃菲尔选择了同样的方法，为1889年巴黎世界博览会建造了他那座享有盛誉的铁塔。沉箱基础这一主题的变化促使了灯塔基础(如1908年的巴尔的摩)和输电线路支撑的地下室(如蓄水池上方的100米高支撑)的应用。

一定是在艾菲尔铁塔建造的时候，工程师首先想到的是将挖空或浸入式气动沉箱连成一排，然后通过拆除顶壁连接它们（在接头做成水密之后））。通过这种方式，他们可以建造隧道，就像1906年巴黎地铁所做的那样。这些类型的隧道构件在许多方面可以像沉箱一样对待，但一般来说，隧道构件不被称为沉箱。

2.2二十世纪

如今沉箱的另一个重要应用领域是码头和港口，就像沉箱历史的开始一样。例如，鹿特丹港在一个世纪前就需要扩建。气动沉箱用于在水位以下建造新的码头墙（图2-7）。

图2-7 在鹿特丹，用于水位以下码头墙施工的气动沉箱

标准沉箱，浸入式，用于升级旧码头。它们被放在旧桩的顶部（图2-8）。后来，钢筋混凝土沉箱直接放在沙床上，形成永久性结构构件（图2-9）。这些构件的高度为11米，长度为25米。墙壁是锥形的（锥头），因此结构的横截面形状是梯形的，这在所需材料的体积方面是经济的。它们被混凝土和沙子压载。这些类型的沉箱也被用于世界其他地方，比如在港口塔尔卡瓦诺在智利和泗水(印度尼西亚)，用它们作为防波堤。

图2-8 在鹿特丹升级旧码头墙 图2-9 鹿特丹没有桩基的码头墙

经验表明，采用梯形沉箱结构的施工难度大，模板造价昂贵，存在较大的缺陷。因此，工程师们改进了形状，使其成为矩形，以避免这些缺点。[HBG1977]

二战期间，盟军在法国诺曼底登陆(1944年6月)时也使用了沉箱。它们是为在海滩上卸货而开发的。这些沉箱代号为“凤凰”号的是作为临时港口一部分的防波堤快速组合的合适解决方案。这些沉箱的尺寸从62米(长)times;18米(高)times;19米(宽)(Ax型)不等至53米x7.5米x8.5米(D型)(图2-10)，建造的凤凰号沉箱总数为147个。凤凰沉箱是在英国预制的。它们作为诺曼底地区防波堤的一部分应用如图2-11所示。[Heijkoop，2002]

1944年末，盟军轰炸了泽兰沃尔切伦的海堤，淹没了该岛。他们想用这种方法阻止德国人从那里进攻大不列颠。炸弹摧毁了韦斯特卡佩尔的堤坝(以及村庄的一部分)，弗利辛根附近的堤坝，拉梅肯斯附近的海堤，费勒附近的堤。然而，当战争结束时，需要付出大量努力来收回泽兰的洪水部分。在用沙袋甚至船只等其他方法进行了几次尝试之后，每个人都确信成功关闭需要沉箱。盟军提供了一些剩余的“凤凰”号沉箱，这些沉箱不再用于战争目的。在图2-12中，可以看到拉梅肯斯间隙的闭合。A.登杜拉德在他的小说“回滚海洋”中描述了封闭作品组织的印象以及对沃尔切伦居民的影响[DenDoolaard2001]。

1953年2月1日，一场严重的风暴潮在荷兰泽兰和祖伊德的许多地方造成堤坝决堤，造成1800多人死亡。凤凰号沉箱再次被用来填补缺口。在1953年7月24日，位于韦斯特谢尔德河畔的克鲁伊宁根附近的最后一个裂口被关闭。荷兰政府任命的一个委员会调查了如何预防1953年2月风暴潮等灾难。后面委员会进行了广泛的研究，建议保护荷兰免受比2月1日高出一米多的风暴潮的侵袭。首选的建议是通过关闭河口或河流的支流（所谓的三角洲计划）来缩短海岸的长度来实现这种保护，而不是加强和增加更多公里的堤坝。就安全而言，关闭大坝的另一个好处是：如果新的水坝失败，那么旧的堤坝仍然可以抵御风暴潮，实际上创造了双重安全。

图2-10 “凤凰号”沉箱的技术图纸

三角洲计划主要包括关闭河口或海上的支流。对于每一个封闭，都必须考虑工作或施工方法:逐步或突然封闭。

1953年风暴潮之后，泽兰的第一次关闭是关闭赞德克里克河。整体的沉箱用于此闭合(图2-13)。他们是在卡特斯的混凝土工厂预制。赞德克里克闭合相对简单，因为位置在两个相反的潮汐相遇的地方，所以只有垂直的水位变化，几乎没有水平的流动。通过这种方式，可以为更困难的闭包(比如费勒附近的下一个闭合)积累经验。

图2-11 在诺曼底桑树港的“凤凰号”沉箱

图2-12 凤凰号沉箱堵住了拉梅肯斯堤坝的缺口，沃尔切伦 1946

图2-13 统一沉箱 图2-14与顶部的压载箱的水闸沉箱，在这种设计中，门位于一侧

预计赞德克里克河的流速会在几个沉箱部分关闭后产生问题。这就是为什么工程师发明闸门沉箱（也称为流通沉箱），或涵洞沉箱（门式沉箱），见图2-14，允许排放约为原来数量的50%。在运输过程中，一边的临时百叶窗和另一边的紧闭的闸门将水阻挡在外，使浮动传输成为可能。

在放置沉箱后，闸门被打开，百叶窗被拆除，让水可以通过。当所有的沉箱都浸在各自的位置时，所有的闸门都立即关闭，立即堵住了所有的水流。注意闸门在沉箱的一侧。在运输过程中，沉箱的另一侧用临时百叶窗关闭。

沉箱设计的下一个改进是通过将钢闸门定位在构件的中间来实现的。这改善了稳定性和流动模式，并且闸门是开放的。这种水闸沉箱应用于沃尔克拉克水坝和布劳韦斯水坝（图2-15）。长宽比为3.8：1，这对沉箱在运输过程中的机动性非常有利[Deltadienst1957-1987]。

图2-15 水闸沉箱的横截面，大门位于中间

在20世纪30年代一系列的破坏事件(沉箱倾覆)之后，例如在卡塔尼亚(意大利)和阿尔及尔(穆斯塔法防波堤)，沉箱防波堤(和一般的垂直防波堤)几乎被废弃，除了一些国家如意大利，日本和台湾。特别是在日本，自那以后它们被大量应用。日本沉箱没有漂浮到目的地，而是悬挂在大型井架驳船上[Oumeraci，1994]。

在20世纪80年代，全世界对更深处防波堤的需求需要其他解决方案，而不是自20世纪30年代以来变得有利的碎石堆式防波堤。由于许多改进，垂直防波堤类型再次成为一种有趣的可能性。例如，这些改进存在于提供更可靠的波浪数据，更多关于波浪破碎和对结构的影响的知识，以及大规模测试设施的可用性。[Oumeraci，1994]

2.3如今沉箱的使用-特殊应用

沉箱如今被广泛应用于各种场合。例如，在地铁隧道的施工中，仍然使用气动沉箱，如阿姆斯特丹中央火车站地下通道与达玛克下的钻孔隧道之间，见图2-17。隧道这部分的三个沉箱是在街道水平建造的，后来通过冲洗下面的泥土沉降到土壤中。沉箱每天下沉1.5米，直到达到20-25米深的固体沙层。其中一个沉箱作为隧道掘进机(TBM)的启动轴。

在20世纪80年代后期，在加拿大北部的波弗特海建造了一个人工岛，以研究在海上严酷的冰情条件下采油的可能性。将四个沉箱（长x高x宽=70times;11times;15m）放置在正方形中，以这种方式形成岛的边界。他们沉浸在海床上并充满沙子，以及沉箱之间的空间（图2-18）。有关该项目的更多详细信息，请参阅“液压工程”讲义。极地海的人工岛。波弗特海的圆顶岛#39;[Vrijling，2000]。

图2-17 阿姆斯特丹地铁的沉箱 图2-18 横截面圆屋顶岛在波弗特海

在英国巴罗，一个新的导航船闸的混凝土结构设计为气动沉箱。巴罗的造船厂建造了更大的潜艇，这需要建造更大的船闸。这是在1989年至1991年由保罗斯特大坝进行的。新的导航船闸具有U形混凝土沉箱，50x50x26m，带钢闸门。地板厚度为9米，保证了船闸的稳定性。浸没期间的监测，尤其是地下水的监测，有助于防止对现有结构的损坏。在沉箱沉浸期间，16米高的百叶窗保留了土壤和水[Lievense，2008]。

在摩纳哥，为港口的扩建建造了一个漂浮的防波堤。主沉箱建在西班牙阿尔赫西拉斯（靠近直布罗陀），从那里被拖到摩纳哥的蒙特卡洛。这座预应力沉箱的长度为352米，宽28米，高19米，重160000吨（1.6·kN）。它通过基台沉箱固定在稳定的平台上。巨大的钢制巴兰插座接头将沉箱连接到陆基基台沉箱）。这种钢铰接件经过特殊设计，可以旋转并承受高达100000kN的负载。浮式沉箱的近海端由两组固定锚固定，水深超过55米。除了其主要功能外，防波堤还为海上和港口的内衬提供靠泊空间。其中约一半它的长度，在四层（箱内）的预制地板上为360辆汽车提供停车位，另一半包含两层船店。[HydroInternational，2008]

图2-19 澳大利亚的潮汐发电厂

在澳大利亚，沉箱用于容纳涡轮机以从海洋中的潮流获得电力，见图2-19。[Bernshtein，1996]

摩洛哥丹吉尔港使用了大约44个圆柱形沉箱来建造防波堤(2003年开始建造，见图2-20)。它们的最终高度是35米，每个重达7900吨。沉箱的形状是圆形的，以减少波浪的力量。为防止氯离子的侵入，减少混凝土开裂，研制了一种特殊性质的混凝土。防波堤的使用寿命为100年。[Bouygues,2005]

图2-20 摩洛哥丹吉尔沉箱防波堤

荷兰第普水道(2005年左右建成)上的高速铁路桥有两公里长，其中1200米在水面上。这座桥由

资料编号：[3246]