遁地巨獸：超大鑽機──《知識大圖解》

「趕快下來、房子要倒了！」隨著工地主任一聲大喊，居民慌亂逃出。接著，基泰大直建案隔壁的公寓，就像坐電梯一樣往下陷落，原本的 1 樓，如今已成為地下室。

除了基泰大直案，台灣各處都偶有聽聞發生天坑、房屋沉陷等事件，這些災害，似乎又常常是地下工程惹的禍。

但這次事件是怎麼發生的？軟弱的地盤真的不適合蓋房子嗎？我家或你家，也會遇到嗎？

為什麼土壤會崩塌？

為什麼土壤會崩塌？大家應該都有過在海邊堆沙子的經驗，當砂子堆到一定的角度後，沙堆表面的沙子就會開始不穩定，這時如果繼續堆沙，沙子就會坍方。

土壤的「剪力強度」會使土壤坍塌到一定程度後就不會繼續坍塌，讓土壤的斜面與地面形成一個角度。所謂的剪力是指將物體推往相反方向的外力，例如用剪刀剪紙，或是用手撕紙。而土壤的剪力強度，指的是防止土壤發生平移破壞的阻抗，剪力強度愈大，代表愈不容易發生坍塌。

剪力強度的大小則受到土壤的顆粒形狀、大小分配比例、緊密程度以及凝聚力所影響。例如由不同形狀與大小的顆粒混雜而成的土壤，彼此之間的摩擦力比只有相同大小顆粒的圓形土壤，強度還要高。或是含水量較少的黏土，比含水量高的黏土黏滯性還高，凝聚力更強，因此剪力強度比較高，更不容易坍塌。

若是開挖基地的土壤剪力強度不足，很難形成垂直度高的壁面，這個時候若是沒有足夠的空間設立明挖邊坡，就需要擋土壁來擋住側向的砂土，保護開挖面，讓工程順利進行。

大家在這次事件一直聽到的「連續壁」，是一種常見的地下擋土設施，就可以擋住側向的沙土。開挖建築地下室前，常會在基地周圍施作一圈連續壁，阻擋地下水與土壤，再進行開挖工作。由於連續壁適用範圍廣、可以擋水、所需空間不大，對臨房影響較小，常被用在軟弱黏土以及都市密集區的工程。而連續壁的貫入深度，通常是開挖深度的 2~3 倍。

以台北市為例，根據臺北市建築工程基礎開挖安全措施管理作業要點，在有鄰房的狀況下進行地下開挖，深度只要達 8 公尺以上就要採用連續壁擋土工法。這些連續壁不僅能用來保護工地，還可以成為未來完工後，建築物地下室的永久外牆。

那麼，這次事件又發生了什麼事呢？

大直民宅坍塌事件是怎麼發生的？

為了抵擋側向土壓力與水壓力，通常擋土壁還需要配合基地內的支撐系統。常見的施工流程首先會在施作擋土壁之後打入中間柱，並且開挖第一階土方。接著在中間柱上架設一層臨時性的水平支撐與施工構台，才會繼續往下開挖下一階土方，重複這樣的步驟直到挖至設計深度。全部開挖完成後，最後在底面鋪設混凝土底版，由下往上開始施作地下室結構。

這次基泰大直事件中，基地位於軟弱黏土地盤。當開挖作業進行到一定深度後，連續壁外側的土壤重量，超過連續壁底部黏土的抵抗力，開挖底部失去平衡。外部的黏土沿著破壞面流動，湧入開挖區。緊接著，基地內的土壤連同中間柱被湧入的土壤向上抬起。當中間柱被向上推之後，橫向的水平支撐也隨之崩解，失去保護連續壁的作用，最後失去側向支撐力的連續壁朝基地內擠進破壞。

災難如連鎖反應，除了基地結構被破壞，基地外側的土壤也會因為向開挖區內流動，導致地面大量沉陷，蓋在上面的房子，也就是這次事件中受害的民宅，隨之下陷。這種工程災害稱為「隆起破壞」。

過程雖然是這樣，但導致這次事故發生的確切原因，目前還在調查當中。可能是調查與設計單位對地質狀況的判斷過於樂觀，連續壁的設計貫入深度不足，或是因施工不慎，導致連續壁與支撐系統並沒有完全發揮作用。

那麼你可能最擔心的是，我家會不會也遇到相同問題，買房前是不是也要挑地質？

常見的開挖災害有哪些？

這邊要先說明，其實不同的地質，需要對應不同的考量與施工工法，我們應該因材施工。而不同地質，也會面臨不同的挑戰與風險。例如基泰大直的隆起破壞，容易發生在軟弱黏土進行的開挖工程，而在透水性良好的砂質土壤中，則可能會因為地下水位差，發生管湧與砂湧等災害。

什麼是管湧呢？它指的是地下擋土壁因為施工不慎導致壁面出現裂縫，在裂縫處將容易形成透水路徑。如果沒有即時修補裂縫，滲出的水流會愈來愈大，並夾帶砂土，形成滲流管道。水流夾帶砂土持續湧入開挖基地，就會使得擋土壁外側逐漸被掏空，導致上方鄰近道路及房屋沈陷。

而砂湧，也是另一個容易發生在砂質地盤的災害，這種現象主要發生在基礎開挖時，基地內側與外側水位落差很大。水位差會使地下水由擋土壁底端上湧，當上湧水流的壓力大於開挖面底部土壤的重量，水壓會將基地內的土砂舉起，冒出開挖面，進而導致開挖基地的破壞。

不過除了先天的地質問題，擋土壁與支撐系統，也可能會因為設計與施工上有所疏失，使得擋土壁牆身的強度不夠或位移太大而發生破壞。

話說回來，這些軟弱地盤，是不是根本就不適合蓋房，爛泥扶不上牆，不對，是爛泥扶不住牆呢？

軟弱地盤真的不適合蓋房嗎？

就像蛋糕不是只有蛋，建築的地盤不只有土壤，而是由土壤、地下水及空氣所組成。依照不同的比例及成份，有著不同的特性。若是地質沒辦法讓蓋在上面的建築物穩定安全，就是所謂的軟弱地盤。

軟弱地盤通常位於沖積平原、湖沼地或是人工回填區。這些地方的土壤因為沒有經過地質變動等物理作用，通常由軟弱黏土、沉泥、或是鬆散的砂土所構成。例如台北盆地是河流所形成的沖積平原，因此大部分的地區都是屬於軟弱地盤，而桃園、台中的地質則穩固許多。

直接在軟弱地盤上蓋房子，就像將建築蓋在豆腐上，不僅施工時容易發生災害，建築也可能會因為自身的重量而沉陷。但隨著都市發展，所需要的土地大量增加，我們很難完全避免在這類地盤上興建工程，因此工程師會利用各種方法，來克服困難的地質條件。

軟弱地盤並不是完全沒有辦法蓋房子，我們可以選擇深基礎，透過數十公尺長的基樁，穿過軟弱土層，將建築固定在更深處的堅硬岩盤上。

或是透過地盤改良，改善土壤的特性，防止破壞、液化以及沉陷等問題發生。

除了加入岩隱村習得土遁忍術以外，地盤改良的方式非常多，同樣需要依據地盤的性質、改良的方向以及工程的類型來選擇最適合的工法。這裡介紹幾種台灣常見的地改方式。

第一種是振動夯實，這種方法是利用機械振動等外力，使基地土層的密度增加，加強支撐力，減少發生沉陷或液化的可能，這種方法適用在非黏性的土層。

第二種，排水預壓工法。這種方式則是在蓋房子前，在基地加上額外的載重，同時也可以搭配排水帶，縮短土壤孔隙水的排水路徑，讓水更容易排出，進而增加土壤的壓密速率，減少土壤內的孔隙與含水量，克服未來建築完成後的沉陷問題。

第三種，也是在都市建築中最常見的地盤改良，是深層攪拌工法，利用特殊機械，透過高壓噴射或是機械攪拌等方式，在地層中注入水泥，並同時攪拌土壤，讓水泥與周圍的土壤拌合成固結體，與原本的地層組成複合基地，以提高土壤強度，我們常聽到的地盤改良樁，就是屬於這種工法。

也就是說，透過合適的地盤改良、基礎形式與開挖工法，軟弱地盤也是能蓋房子的。

如果你對你家，或是你想要買房子地方的地質很好奇，那事不宜遲……就來介紹查詢看看你家地質吧。

我該怎麼知道我家的地質？

依照經濟部地質法的規定，只要是政府機關或公營事業所辦理的地質調查，都需要將調查結果提交給中央主管機關。而這些資料都會被上傳至中央地調所建置的公開平台——工程地質探勘資料庫，也就是說，如果你家附近曾經有公共工程進行過地質調查，就可以在上面找到鑽探資料。

另外，政府也公布了全台的地質分佈資料、土壤液化潛勢區以及活動斷層的分佈，資料都公開在網路上，有興趣的觀眾可以上去查看，更瞭解自己的居住環境。除此之外，國家地震研究中心甚至有有簡單的試算方式，可以評估自家住宅的耐震能力。

當然這些公開資料，只能作為工程設計的初步參考，還是需要請專業的地質調查公司進行鑽探與實驗，才能比較完整地瞭解基地的地質。因為即便知道自己家裡附近的地質類型，地質條件還牽涉到各種土壤參數，工程設計和施工品質也有重大的影響。此外，像順向坡角、土石流及易淹水潛勢區這類危害很大的地方，一般民眾原本也鮮少將此列入尋覓住處的考量。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識！

參考資料

• https://www.pcc.gov.tw/cp.aspx?n=BDB0…
• https://news.pts.org.tw/article/655460
• http://www.twce.org.tw/modules/freeco…
• http://www.twce.org.tw/modules/freeco…
• https://www.champmon.com.tw/H-1.htm
• https://udn.com/news/story/123732/742…

旋鈕多大才好轉？誰知道啊！

有些問題是生活中不斷遇到，卻從來不會加以思索的。像是當你在開車時調整車上的冷氣溫度，還有聽音樂時調整藍芽音響的音量與音色。此時，指尖所操控的旋鈕該做多大，才是最好轉的呢？

「誰知道啊！」你心裡這麼想。

這種日常體驗的問題看似微不足道，但其實就是產品設計和工業設計這類領域最關注的焦點，甚至能幫你贏得搞笑諾貝爾獎！

本年度的搞笑諾貝爾獎頒獎典禮在線上舉辦，表揚世界各地的研究者如何用專業能力探討奇妙的問題。今天要介紹的工程學獎，頒給了日本千葉工業大學的松崎元教授，以及他扎實的研究論文《如何用手指操控柱狀旋鈕》。透過實驗室中的實際測量，松崎教授紀錄了人們使用各種大小的旋鈕時，如何下意識地將不同手指放在不同位置來操作。

當我們看見一顆旋鈕，我們會透過目測其大小，來決定該用怎麼樣的手勢轉它。如果是直徑一公分左右的小旋鈕，我們會選擇只用拇指和食指來操作，更多的手指只會徒增不便；但如果是快十公分的大旋鈕，就需要動用四五根手指。這個決定不單純只是個人偏好，而是跟人類手掌和手指的構造有關聯。只有某種握法才是最舒服方便的。

此外，通常看到旋鈕就直接給它轉下去了，不會在旋鈕上面嘗試並修正來達成「最佳觸感」。也就是說，這個決策過程從小多次練習後，已經完全變成下意識的過程，只能透過實際測試結果來描繪。

下意識的選擇，只有做實驗才知道

在實驗室中，松崎教授的透明桌面上平放一個白色的圓形旋鈕，並請 32 名受試者順時針旋轉這個旋鈕，並從桌面下的攝影機捕捉人們手指的位置。旋鈕的直徑從七毫米到十三公分，總共 45 種。結果顯示，當旋鈕越大，動用的手指數量越多（一如預期）。只要旋鈕直徑超過五公分，大多數受試者便會開始使用五根手指。

根據所有受試者的統計結果，松崎教授整理出了上方這個十分優雅的圖表。標靶一般的同心圓代表各種大小的旋鈕。圖下半的粗黑直線是基準線，所有測試結果的拇指位置統一對齊這條線，以利進行比較。上方的四條曲線，由左到右分別是食指到小指的位置，虛線則是統計標準差（當然，實際上的實驗結果應該是一個一個離散的點，這裡簡單地用二次曲線進行擬合，比較好看）。

這張圖總結了不同旋鈕大小的情況下，人們手指位置如何變化。有趣的是，隨著旋鈕變大，四根手指的位置並非簡單地輻射向外，而是呈現螺旋狀。猜測是跟手掌張開並旋轉的方式有關。這種細微的趨勢不做實驗還真猜不到。

不是為了搞笑，每份研究都超認真

這份研究其實在 1999 年就已經發表，時隔二十多年獲得搞笑諾貝爾獎。儘管中文翻譯是「搞笑」諾貝爾獎，但是包括松崎教授在內的所有獲獎者，可是從來沒有要搞笑，而是以非常專業的態度在做他們的工作，這些研究成果也都發表在正式的期刊。自 1999 年的旋鈕研究之後，松崎教授又相繼研究了提袋握把和雨傘握把，可說是精通抓握之道的男人。

松崎教授表示，他很樂見這個獎項讓更多人開始關注設計工程的領域。這門學問專注於探索人與物品之間的關係，並藉此創造最舒適的使用體驗，打造出實用的工業產品。

更多有趣的研究，請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

參考資料

1. Japanese professor wins Ig Nobel prize for study on knob turning
2. Japanese researchers win Ig Nobel for research on knob turning
3. 松崎元, 大内一雄, 上原勝, 上野義雪, & 井村五郎. (1999). 円柱形つまみの回転操作における指の使用状況について. デザイン学研究, 45(5), 69-76.

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《特務電影成真：建築和地球結構都能透視的「渺子成像術」——專訪中央大學物理系郭家銘教授與地科系陳建志教授》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜熊一蘋

想像一下特務電影的經典橋段：主角成功潛入敵方基地，接著拿出他的神秘裝置，把它安裝在牆上，不到幾秒時間，基地內部的空間結構圖就全部呈現在螢光幕上。這種透視整座建築物的技術，讓電影展現了近未來的科幻色彩，那麼，在現實世界中，我們還有多久才能開發出這樣的技術？

「不用未來，事實上現在是可以的，但要幾秒那麼短的時間倒是不可能。」中央大學物理系的郭家銘老師說，只要利用「渺子成像術」就能做到，他和中央大學地科系的陳建志老師、電機系林祐生老師、中研院物理所林志勳老師執行中的計畫，就是在研究這項技術，不過他們透視的主要對象不是建築物，而是山體。

幫巨大物體照X光的新型成像術

說明渺子成像術之前，首先要介紹什麼是「渺子（muon）」。渺子是組成物質的基本粒子之一，最早在1936年被物理學家卡爾．安德森（Carl Anderson）發現，和電子一樣屬於輕子，兩者最大的不同之處在於，渺子的質量比電子重了約210倍，這點讓渺子具有很強的穿透能力。自然界中的渺子主要由外太空來的宇宙射線撞擊大氣層氣體分子後，經由π介子衰變來到地表，在你閱讀這篇文章的同時，也有無數的渺子從四面八方飛來，以接近光速穿過你的身體。

渺子的另一個特性是，在密度越大的物質中，它的能量損失得越快。在福島核電站的修復工程中，渺子探測的技術被用來從安全距離之外探測密度極高的鈾、鈈等放射性物質，以免修復人員受到輻射影響，這是其他成像技術無法做到的。而對於密度沒那麼高的建築物，或是山體、岩層等地球結構，渺子有可能穿透長達數公里的距離。渺子成像術的基本原理，就是分析不同角度探測到的渺子數目，再反過來推算探測目標內部各部份的密度，只要有兩個點的數據，就能建立三維的透視結構，就像是幫建築和山體照X光。以在的中央大學的圖書館來說，雖然無法像電影一樣在幾秒內成像，但也只要一週左右就能得到不錯的成果。

郭家銘老師說，渺子成像術在臺灣是個不常聽到的詞，但相關實驗在1950年代就已經出現，其中最有名的是在1960年代，研究團隊在沒有傷害金字塔結構的情況下，用渺子成像術找出了內部隱藏的密室。郭家銘老師則是在2014年，在西班牙的高能物理研討會得知這項技術。

「我做的是高能物理，常有人覺得我們的研究成果沒什麼應用價值，那時候聽到這樣一項報告，是可以在民生經濟上提供一些幫助的，聽起來就很酷。」郭家銘老師說，一般人覺得高能物理就是研究基本粒子，是很純的物理，但這個領域也對人類生活有不少貢獻。卡爾．安德森在發現渺子的同一年因為發現正子獲得諾貝爾獎，當時沒人知道怎麼應用，但現在正子被用來治療癌症，這就是從高能物理開展出的新技術，渺子成像術也是其中之一。

西班牙的會議後過了幾年，郭家銘老師有一名助教找到新型渺子探測器的論文，幫助兩名學生試著自行製作；兩年前剛好科技部推出鼓勵跨領域研究的沙克爾頓計畫，經過一番牽線，郭家銘老師找到了以前的鄰居陳建志老師，開始執行計畫，試著將渺子成像術應用在地球科學領域的探測上。

「我們地球物理的研究者，一直都是用各種方法在地表測量物理場，去得知地底下的結構，各式各樣的探測技術都想要積極開發。」陳建志老師說，渺子探測出的物理量是岩體的密度，傳統的測量方式是重力測勘，但這種方式探測的對象往往是以數公里為單位，沒辦法做更細緻的探測。「以臺灣來說，我們很容易因為豪雨造成山崩，但這種事件不會無端發生，有潛在危險的坡體，在某些地方是破碎的，密度會比緻密、完整的岩層更小。像這種數十公尺級的對象，用傳統的重力法很難做得到，但渺子探測術能解析的空間非常細，就可以應用在這種地方，來找出有邊坡危害的土地。」作為一項發展中的新技術，渺子成像術可以探測的對象體積大，解析度可高達數十公尺，也不需要額外產生震波、電流等人工信號，有著各種讓陳建志老師期待的優點，但也理所當然地，有著許多要面對的挑戰。

初次應用實驗，為隧道工程探勘前路

由郭家銘、陳建志兩位老師主持的渺子成像術應用計畫，研究團隊含括了物理系、地科系、電機系等不同系所的成員，目前已經執行到第二年。在最初的一年半，團隊專注於兩個目標：新型探測器的研發，和反演算法的的發展。

郭家銘老師說，在高能物理這個領域，為了實驗寫程式、設計電路板是稀鬆平常的事。目前他們正在建造的探測器和傳統用於渺子成像術的探測器不同，體積更小，需要的電壓也從1000伏特減少到30伏特，用在戶外實驗的機動性更高。得到測量的數據後，還需要有個反演算法去回推觀測對象內部各部份的密度，這部份的技術則是由地科系的成員來持續完善。陳建志老師說，反演算法本來就是地球物理領域的重要技術，就像是把觀測對象拆解成一個個小方塊，根據不同位置、角度測量到得渺子數量，來推測每個方塊的密度。郭家銘老師在一旁開玩笑，說一般人對物理學家常有埋首計算的印象，沒想到這次合作下來，才知道地科系要懂的數學比物理系深不少。

經過了充分的測試後，團隊在2020年底開始現場探測的實驗。當時石門水庫的阿姆坪防淤隧道正在開挖，陳建志老師在現場做物理探查，剛好介紹團隊來施工現場探測。「這個隧道的鑽挖過程可能會遇到一段，地質上我們叫新店斷層的東西。新店斷層在阿姆坪這個位置的上方，有一層非常多的煤炭層，開挖過程會經常聚集沼氣，在工程上有高度危險。」陳建志老師說，隧道工程中有項作業叫前進探查，隨著隧道往前鑽挖，會持續探測前方岩體的材質。傳統的探查方式用的是力學波，但陳建志老師認為，渺子成像術有取代傳統方式的潛力，讓未來的隧道工程更加安全，便介紹團隊來到阿姆坪的施工現場，把探測器架設在開挖中的隧道前，持續測量渺子通過的數量。 

由於垂直方向的渺子穿過的只有大氣層，當探測器對準正上方，測量到的渺子數量最多，而隨著探測器仰角越來越低，渺子要通過的障礙就越多，測量到的渺子會越來越少，而水平方向通過的渺子則是最少的。阿姆坪的地勢比預期中更平，雖然不至於無法探測，但就得增加探測器的數量，否則就得把實驗天數拉長，才能取得足夠的數據。

除了實驗時間必需拉長外，實驗本身進行得相當順利，至今已不中斷進行三個月的實驗。高能物理的實驗通常在室內進行，溫度和濕度都被嚴格控制，郭家銘老師原本對戶外實驗帶有不安，也確實遇到了電力系統不足等問題，但團隊很快地一一解決，新型的探測器也成功挺過溫濕度的劇烈變化，在日夜溫差動輒二三十度變化、晴天午後突然雷雨的環境中持續運作，確實達到了實際應用的標準，為完善反演算法提供了充分的數據。

經過了阿姆坪的實地測試，整個研究的研發階段已經可以宣告結束，正式進入量產階段。目前團隊搭建的探測器面積是20cmx20cm，未來除了增加數量，也準備建造更大的探測器，到沙克爾頓計畫結束時預計可以做成目前四到六倍大，目標則是目前的一百倍大，讓團隊能更快地測量山體、變更地點，增加掃描山體的效率。也許再過幾年，替山和建築物照X光的技術將不再科幻，深藏在地表之下的岩層和礦脈，都將透過渺子成像術輕易地呈現在我們的眼前。

參考資料

• 穿透力十足的不速之客-渺子
• 郭家銘教授Chia-Ming Kuo: 渺子成像術於粒子地球科學之應用與下一世代的高能物理實驗