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日本博多車站大洞是工程神話幻滅?你想太多了!

2016 年 11 月 8 日清晨,日本福岡的博多車站附近的馬路突然間「破了大洞」,大洞的長寬大約 30 公尺,深達 15 公尺。不僅日本人關注,台灣媒體也大量引用新聞和影片報導。

幾天後,新聞瘋狂神化日本工程界,說什麼一下子就補好修好太神了。不料,再過幾天原地點道路又下陷了幾公分,但這次日媒還沒說,我們便搶著腦補「工程神話破滅」了!

用關鍵字和時間查詢,就會發現令我超白眼的新聞。圖/網路截圖

用關鍵字和時間查詢,就會發現令人超白眼的新聞。圖/網路截圖

當我看到這些報導(尤其是打臉工程神話的部分)時,白眼都快翻到後腦勺了……,於是忍不住跳出來說明白。為什麼這件事情這麼重要?因為無論如何,我們的生活脫離不了工程建設,了解工程地質與災害為什麼會發生很重要。當家裡附近施工時,我們需要當心什麼?災變事故也不一定是豆腐渣工程,與其跟風罵人,不如認真了解。

先來聊聊工程人的惡夢:地下水

地下水層並不是指在那一個地層中只有水沒有其它東西,多數地層中的沙土顆粒都有孔隙,孔隙中不是空氣就是水。當孔隙都是水,我們稱這種地層為「地下水層」,而它的上界就是「地下水面」。

如果你曾到海邊堆過沙堡、做過沙雕,就會知道沙太乾堆不起來,但水太多又會整組壞光光,唯有「剛剛好」的濕潤程度,才能堆出穩固的沙堡。相同的,工程向下挖掘會破壞地層受力平衡,但如果開挖的岩層或土層膠結好、含水量也剛好產生足夠內聚力,就不會一挖洞就坍塌。不過,要是挖到了滿滿的大平……,啊不是,是挖到滿滿的地下水層時,自然就會漫出水來,不但含水層本身可能帶著泥沙一起崩潰,也可能侵蝕、破壞鄰近的地層,如果是發生在道路下方,就會造成常聽到的「路基流失」。

不妨再回顧一下 2016 年初台南地震後廣泛討論的「土壤液化」議題,在看土壤液化發生的潛勢時,其中一個條件就是「地下水」。當地震發生時,飽和地下水會讓地層受力不穩定的狀況更加嚴重,因而發生液化的現象。在工程上,解決方案不外乎是改善地質(譬如灌水泥)、將地基的椿打到更深更穩固的地方、把岩層壓密減少孔隙和地下水含量……,總之這些方式的共通點就是:「避開地下水」。

博多地鐵的工法與選擇

建築和挖隧道工法有很多種,但不是全都適合用來挖地鐵,因篇幅有限,就介紹這次事故的福岡七隈線所用的相關工法。主要運用到明挖法(日文:開削工法)、新奧工法(NATM 工法),以及潛盾工法(日文:シールド工法)。

明挖法

「明挖法」的概念最單純,施工方式也最容易,就直接從地表往下挖到目標深度,做好鋼筋水泥設施後,再把土回填蓋上就可以收工。

即使開挖時可能遇上地下水層,也能在事前先用「連續壁」的方式克服。近年來因為大巨蛋的爭議,民眾對連續壁一詞也可能不太陌生。製作連續壁的方式可細分成許多種,但基本概念大同小異:在大規模開挖前,先用特殊機具挖出一道深溝,並利用鋼筋水泥往地下築一道牆,之後再進行較大規模的開挖工程。

這個工法用來蓋地鐵的最大缺點就是浪費土石、水泥,且需要較大的空間施作,所以比較常用在地鐵線路離地表很近的路段,或者是要興建地下車站、停車場的地點。

地下水層、明挖法中會用到的連續壁、潛盾工法會用到的潛盾機示意。圖/作者繪製

地下水層、明挖法中會用到的連續壁、潛盾工法會用到的潛盾機示意。圖/作者繪製

新奧工法

新奧工法的全名叫「新奧地利隧道工法(The New Austrian Tunneling method, NATM)」,因為它就是在 1960 年代開始在奧地利阿爾卑斯山鑽鑿隧道時使用的工法。

但我就沒聽過「舊奧工法」,又為什麼說它「新」啊?那是因為它改良了傳統鑽炸法建造隧道的方式。傳統蓋隧道的方式很簡單,開挖向前推進一小段之後,趕快先用鋼構、噴水泥上去保護讓頂部不會塌,接著加上防水布、再用水泥做好完整支撐(專業術語叫「襯砌」),完成後就和我們平常看到的隧道一樣。

但從後來發現,隧道的支撐經常會在靠近地面之處往內凹陷變形,才發現早期工程師僅考量隧道上方的岩石荷重,卻忽略了「岩壓」。岩壓就像氣壓和水壓一樣來自四面八方,所以建隧道時也該考慮側向的岩壓。而新奧工法就是用較少的鋼筋支架或鋼網,搭配岩栓(可以想成很大的釘子)插進岩層裡面,這樣一來就能照顧到各個方向的受力,還能減少建材的用量。台灣約在 1980 年代引進這個技術,台鐵東部線的自強隧道,便是以此工法突破工程瓶頸順利挖通隧道。

黑色箭頭代表隧道向上支撐的力,藍色箭頭為岩石荷重示意,而紅色箭頭代表來自四面八方的岩壓。傳統工法僅考量岩石荷重(上方黃色區域),但實際上受到岩壓作用會讓隧道底部變形,新奧工法就是適時運用岩栓來讓周遭岩石成為一個「岩拱」(橘色區域),讓岩石可以承受四面八方的岩壓。

黑色箭頭代表隧道向上支撐的力,藍色箭頭為岩石荷重示意,而紅色箭頭代表來自四面八方的岩壓。傳統工法僅考量岩石荷重(上方黃色區域),但實際上受到岩壓作用會讓隧道底部變形,新奧工法就是適時運用岩栓來讓周遭岩石成為一個「岩拱」(橘色區域),讓岩石可以承受四面八方的岩壓。

潛盾工法

潛盾工法最早在台灣「出名」的點不是用在地下鐵,而是雪山隧道。當時預計開挖雪隧的「全斷面隧導鑽掘機」(TBM,以下簡稱潛盾機),因為隧道湧水量太大而埋了一台。

潛盾機的原理就是利用一個圓盤式的鑽盤,利用油壓和鑽盤上的破壞向前推進,推進之後會用預先作好的鋼筋水泥環片支撐隧道,直接當作襯砌來用,這樣一來推進時油壓設備就有施力點了。台灣的捷運也都曾運用過潛盾工法施作部分路線(台北捷運、高雄捷運、機場捷運),算是軌道路線開挖的利器。只要地質條件單純,用潛盾工法是十分便利的做法。而無論是新奧或是潛盾工法,都可以透過路線設計避開地下水層,或是事先作地質改良讓水體能隔絕,面對地下水的威脅也不成問題。

鑽挖地鐵時利用潛盾機的示意圖。圖/香港分子 @ wiki

鑽挖地鐵時利用潛盾機的示意圖。圖/香港分子 @ wiki

福岡七隈線延伸工程中,明挖法通常用在站體結構處,畢竟車站得通到地表;線路的部分幾乎都採用潛盾工法;只有一個地方(線路接月台處)有用新奧工法,這麼剛好,這次陷落就發生在以新奧工法施工的地方!

事故發生處的剖面示意圖。圖/作者參考福岡市交通局與日経コンストラクショントップ重繪

(點擊看大圖)事故發生處的剖面示意圖。圖/作者參考福岡市交通局與日経コンストラクショントップ重繪

是新奧工法的問題嗎?為什麼不能用另外兩種?

由於新奧工法發明時,人們已經注意到岩壓的問題,因此除了施工方式的變革,同時也以監測、計算岩壓的方式了解岩層的受力情形,而新奧工法最大的特點就是盡可能利用適當的岩栓,讓岩石本身就可以成為支撐隧道的力量。這個方法已經用了數十年,照理說應該不是工法本身的問題,而是其它設計或施工因素。

那麼為什麼不能用另外兩種方法?

前面提過潛盾工法適用於地鐵軌道線路的部分,主要是因為它挖出來的是一個圓形管狀的通道,通常都是因應路線的寬度、高度設計。但如果將挖線路用的的潛盾機拿來挖月台,挖完後還要擴孔增加,屆時還是一樣會用到新奧工法。

明挖法就更難了,看了事故地點不難理解,今天我們要挖出一個站體,最少要吃掉半條道路以上,這地點又正好是交通繁忙、樓房林立的地方,操作困難且影響很大,因此最後還是選擇了新奧工法來開挖這段月台。

看了這麼久,大洞的原因到底是…

目前原因不明(笑)。

事故後雖然工程單位與當地交通局有說明,但實際上需要第三方的調查委員會介入調查,等事故原因和責任釐清後才能復工。不過因為網路公開資訊很詳細,所以我們可以從計畫的說明頁面(包括計畫說明、地質調查、區域調查、環境影響評估等等),加上官方公布的資訊,搭配一點點工程地質的知識,來推敲可能的問題點。

圖中標出各種工法的位置以及地質特性,事故發生的地點用黑色星號表示,岩層 Tr 為古第三紀地層,對於工程而言屬於基盤地層(但還是偏軟的風化頁岩、砂質頁岩)。(註:シールド:潛盾工法)圖/截自地下鐵七隈線的地質調查剖面圖(環境影響評估報告)

圖中標出各種工法的位置以及地質特性,事故發生的地點用黑色星號表示,岩層 Tr 為古第三紀地層,對於工程而言屬於基盤地層(但還是偏軟的風化頁岩、砂質頁岩)。(註:シールド:潛盾工法)圖/截自地下鐵七隈線的地質調查剖面圖(環境影響評估報告)

先來談談地質調查與規畫,我們把地質剖面圖拿來看(因為是開挖地下鐵,所以剖面比地表來得重要)。開挖的位置應該是在古第三紀層的岩盤中,岩盤的主體為風化頁岩、砂岩頁互層,基本上可視為不透水的岩層。照理來說不會太難挖、岩石的強度也應該足夠,甚至還用了監測設備插入前方預計要挖的地方,隨時觀察是否沉陷,準備工作一點也不馬虎。

針對地下鐵七隈線在新奧工法用來監測開挖方向前方地質狀況的儀器,SAA 是用來了解前面有沒有下陷或是斷層等現象,而 T-REX 則是用來了解前方的岩石強度,測量結果可以幫助工程人員規畫開挖方式以及岩栓使用的數量等等。圖/大成建設

針對地下鐵七隈線在新奧工法用來監測開挖方向前方地質狀況的儀器,SAA 是用來了解前面有沒有下陷或是斷層等現象,而 T-REX 則是用來了解前方的岩石強度,測量結果可以幫助工程人員規畫開挖方式以及岩栓使用的數量等等。圖/大成建設

但事件畢竟還是發生了!隧道終究是坍了,就目前的資料來看,岩層應該是出現裂隙,上方的沙土和地下水就一起灌入隧道內埋了坑道。所以我說怎麼會有天外飛來的裂隙呢?

在調查報告出來前,我們先試想幾個可能的原因:

1. 上方的岩層可能沒想像中厚,或是強度沒想像中大:這問題應該會出在地質調查不完善。由於事故點正好在市中心,本來就是個不易直接鑽孔調查的地點,真的好死不死開挖點上方有個原先存在的小裂隙,或是之前蓋房子與鄰近車站時有擾動到的地方也是有可能的。

2. 施工端的問題,可能在挖掘時不慎擾動上方岩層或是沒有計算好應力分布,又或者是打岩栓時真的好死不死打穿了個裂縫都有可能。

3. 或者是上述 1+2 同時發生,因為任何的測量、計算難免都有誤差,所以這也是有可能的。

現階段資料告訴我們什麼?

工程的技術與建築工法是與時俱進的,本來就沒有什麼所謂的工程神話。

要克服先天條件蓋出好的建築設施,需要非常扎實的基礎工夫,包括地質探勘的技術、設計的考量以及確實的施作。或許大家太常看到偷工減料或是設計不良的災變案例,演變成只要一看到出事情,就反射性的聯想到設計不良、人為疏失或是豆腐渣工程。殊不知設計不良的背後原因,除了人為因素,也可能是探勘測量的誤差、科學知識的不足,或是好用的科技還未問世。如同前文中提到的新奧工法,也是從過往的教訓中找到的新方法,因此若能記取「失敗」,便能成為未來的養分。

對了!文中一開始提到回填土後出現的沉陷,那又是怎麼回事呢?又是該 cue 一下土壤液化文章的時候了。當我們回填土時,就算再怎麼仔細的壓密實,在追求時效完成的情況下,難免土壤中都會有一定的孔隙。而就像土壤液化的原理一般,震動會讓土壤顆粒重新排列,即使不是高液化潛勢區(沒事不會有人回填成液化潛勢區)也有可能因而微微下陷。就算沒有發生地震,恢復通車後的地面,難免因為行車的振動傳入地下而使下方土壤受影響。

既然無法百分之百避免,最好的方式就是持續監測,當下陷增加時,就必需要有管制交通與行人等因應方式。(現在在負責的大成建設網頁仍可看到持續監測、注入藥劑改善地質的等報告)

12/22 實況補充:從 22 日起(這篇文章刊出隔天),調查單位就開始進行「追加質調查」,簡單來說就是利用鑽井等方式了解隧道上方的地質狀況。雖然說土都回填了,但我們需要了解的不是回填區,而是緊鄰回填區的地質狀況,因此目前看起來井的位置都是位在非常靠近陷沒區的地方。

土壤液化示意,壓密沉陷也是類似的概念,只是不一定會像土壤液化一般造成嚴重的災情。

土壤液化示意,壓密沉陷也是類似的概念,只是不一定會像土壤液化一般造成嚴重的災情。

最後我們來看看第一次調查結果的事故狀況,將時間倒回大洞形成的那天清晨,當 4:25 開始發現異常,到 4:50 大量湧水出現後,5:00 時工作人員便從地下退回到地面、5:10 地面也拉好封鎖線,接著就發生陷落形成大洞,由於發現得早,因此無人傷亡。當然,這也不是神話,而是長期對於工安謹慎、尊重專業並嚴肅應對的成果。工程所追求的並非人定勝天,我們早就知道科學的不確定性,因此工程該追求的極致應該是如何在不確定的科學下,盡可能鋪設一條最穩健、保險的道路。

事故發生後的狀況。事故後第三方介入調查,預計會開三次會議,這是第一次會議(2016/11/29)後公開的的報告,第二次會議預計在 2017 年 2 月召開。

事故發生後的狀況。事故後第三方介入調查,預計會開三次會議,這是第一次會議(2016/11/29)後公開的的報告,第二次會議預計在 2017 年 2 月召開。



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參考資訊與延伸閱讀

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關於作者

潘昌志

「你地質系的?」不,但我待過地質所,而且還是海研所的碩士。無論在氣象局、小牛頓…都一樣熱愛地科與科普。現在從事試題研發工作,並持續在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科的各種知識,想以科普寫作喚醒人們對地球的愛。

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