0

0
2

文字

分享

0
0
2

日本博多車站大洞是工程神話幻滅?你想太多了!

阿樹_96
・2016/12/21 ・5881字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。


感謝大家耐心看完~~如果對地質地科相關科普有興趣也歡於來阿樹的Blog:地球故事書逛逛哦!

參考資訊與延伸閱讀

日文網頁部分:

中文網頁部分:

文章難易度
阿樹_96
73 篇文章 ・ 21 位粉絲
地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。

0

1
2

文字

分享

0
1
2
圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
文章難易度

討論功能關閉中。

賴昭正_96
43 篇文章 ・ 54 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
大直公寓陷落!連續壁能保護工地,為什麼會造成外側房屋坍塌?在軟弱地盤上蓋房子可行嗎?
PanSci_96
・2023/10/21 ・5106字 ・閱讀時間約 10 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「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。

圖/公共工程品管班教材

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

開挖建築地下室前,常會在基地周圍施作一圈連續壁。圖/PanSci YouTube

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/公共工程品管班教材

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?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

圖/臺灣公路工程第 43 卷第 1-2 期

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。

圖/臺灣公路工程第 43 卷第 1-2 期

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

如果有哪些關於買房要注意的眉角你還想聽我們分析,例如房價、交通、裝潢、空氣品質甚至是風水,歡迎留言告訴我們。最後也想問問大家,在挑房子時,哪項指標是你最在意的呢?

  1. 事件發生後,我覺得地質與買房地點,才是最重要的
  2. 在多地震的台灣,房屋的耐震係數最重要
  3. 氣候變遷之下,節能省冷氣且防淹水防空污最重要
  4. 以上這些都是多說的啦,房子貴到買不起,對我都不重要。

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

0

40
0

文字

分享

0
40
0
什麼是「土壤液化」?它真的很可怕嗎?——真正可怕的是你我都忽略的事
阿樹_96
・2016/02/18 ・6101字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

土壤液化不是指土為水,而是你我腳下土地平衡的破壞

在美濃地震後,台南部分地區出現大量「土壤液化」災情。這四個字個別都看得懂但合在一起卻又有點陌生;也或許這個災害在過往的天然災害中並不算常見,即使能輕易的就能從 google或一些研究機構的說明文件查到相關資訊的介紹(譬如國震中心的網頁:安全耐震的家),仍有些民眾或是民意代表對此一知半解。

從有民意代表誤會成液化災區的土壤特別軟、一戳就凹之類的誤解,就可知道不懂的人或許真的還很多。雖然這樣的舉動會讓多數地質人的理智線斷裂,但我們還是要把事情說清楚講明白,看清楚問題的所在,才是探討土壤液化更重要的事吧?

液化一點也不簡單。感謝pansci作者廖英凱賜圖。
液化一點也不簡單。感謝pansci作者廖英凱賜圖。

什麼是土壤液化?讓我們從頭開始說明

字面上的意思雖然很直觀,但實際上土壤液化並不是土變軟或是土變水的土盾或水盾忍術。在過程中土量、水量都沒有變化,本身微觀的性質也沒有什麼變化,變化的是排列方式和受力程度。土壤的排列其實十分鬆散,無論巨觀上看起來有多扎實,都有可能裡面藏著很多「孔隙」,講到孔隙就必需借用一下國震中心的圖片了:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

孔隙率的計算方式示意,圖中灰色的地方是土壤,藍色的地方就是孔隙。圖來源:安全耐震的家。
孔隙率的計算方式示意,圖中灰色的地方是土壤,藍色的地方就是孔隙。圖來源:安全耐震的家。

大多數的情況下,土壤不會堆的很好,那些孔隙也是不規則的樣貌,但基本上砂土的顆粒和顆粒之間是有互相接觸的。有接觸就有力和反作用力的作用(工程術語叫有效應力,但為簡化說法請容許我改變一下形容方式)。一般來說這些力達到平衡時,大家會乖乖排好不會亂動,也不會有沉陷的問題發生。

但水開始進來後(多半是地下水),又是不同的情況了(跟惡魔果實能力者一樣泡在裡面會變弱),因為水會多了一個類似浮力效果的作用(孔隙水壓),感覺就像較上層的顆粒被抬起來了,對下方顆粒的作用力減少,反作用力自然也較少,強度會下降。

但是平常我們看到的情況,即使有地下水,底下還是維持著平衡的狀態,當然在建築時也常需要把水排掉,讓地質較穩固也是有的現象。但地震來時(尤其是大地震),震波的搖晃會破壞平衡,然後孔隙水壓本來就大的地方,會有以下兩種作用:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

重新堆疊,排出水分,大概的情況就像下面這張圖一樣:

地震後重新排列後的土壤,排出了多餘水分。圖來源:安全耐震的家。
地震後重新排列後的土壤,排出了多餘水分。圖來源:安全耐震的家。

不過這個過程中,還有一個過渡狀態,就是土顆粒們反應不及,還浮在水中的時候,此時此地的土壤就會變成像液態般的行為,上方如果有些地方重、有些地方輕,就會有不同的沉陷方式,所以有建物的地方會垮下去也是正常的,而地震波帶來的搖晃加上建物房屋本來就不均質的關係,也會讓建物出現傾斜或地坪破壞的現象。

就像下圖的狀態(想像成地震時的瞬間快照)

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

筆者自繪說明土壤正在發生液化過程的圖。
筆者自繪說明土壤正在發生液化過程的圖。

啊多出來水咧?往下沒地方去(液體的不可壓縮性),當然就是往上跑,水往上跑的時候往往就會帶著泥沙噴出來,所以這次震後常見到噴砂、甚至是泥火山的現象。

以下的影片可以快速看到這兩種現象,沉陷+噴砂(深色那個推測應該是染色標記的色砂而已)

  • 實驗設計者:臺大土木系翁作新教授

土壤液化若在有坡度的地方或是河岸邊,就會出現「側潰」的現象,簡言之就是有點像小規模山崩的樣子,像台南高爾夫球場的崩塌的樣貌,就有點像是類似側潰的現象(但因筆者未實際走訪,實際原因仍保留,但新聞照片看起來的確較像表面崩塌而非斷層,加上球場多以填土方式製造坡度,若底下含水量高時,遇到地震確容易發生側潰)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

快速總結一下,地震引發土壤液化的條件就是:

  • 1.粒徑組成在某個範圍內的土
  • 2.地下水面以下的土
  • 3.夠大的地震製造擾動

土壤液化好像很可怕!怎麼辦啊?

從過往的災例來看,土壤液化使樓房傾斜損壞的災情多半是財損大於人損,對人命的安全較無立即性的危害,直接倒塌多半還是本身建物抗震能力不足所致。甚至土壤含水較高時,晃動程度還會比鬆軟但含水少的土壤小一點,大概是液體的抗剪能力強,剪力波的能量難以穿透,簡言之就是還有部分吸收地震能量的效果,所以土壤液化其實並不是那麼可怕的東西。

當然,它還是很討厭,因為發生後還是得處理,傾斜的房屋需要補強地基、地基有損毀的房屋也要花一筆錢、噴砂的現象還是得清理乾淨,還是天外飛來一筆橫禍。而且即使能修,屋主內心的陰影創傷也難以抺滅…像是下面的災情:

台南新市三民街受0206地震土壤液化影響的房子,主要結構未損壞,但地坪隆起、磚牆破裂。鍾令和博士提供。
台南新市三民街受0206地震土壤液化影響的房子,主要結構未損壞,但地坪隆起、磚牆破裂。鍾令和博士提供。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

新化當地居民提供的噴砂照片。by「鄉民地震災害學」相簿
新化當地居民提供的噴砂照片。by「鄉民地震災害學」相簿

那麼預防的方式呢?一般來說如果是「高土壤液化潛勢區」(等一下再介紹這是什麼)的地質環境,會有一些建議的施工方式,像是基盤改良、打較深的椿穿過液化潛勢區,或者直接把土壤夯實(就是叫浩克來踩一踩把孔隙變小)一點(下面幾張國震中心繪的圖也借用一下說明)。

不過這邊要特別提一點很重要的事,不是這樣做了就一定不會液化或者是房子鐵定不會受影響,只是相對起來有預防至少可以避免相關災情發生,也讓房子較為穩固,減少因地震引發的土壤液化而被破壞

打基椿的土壤液化防治工法,即使打不到岩盤深度,夠深的話還是有一定的防治效果。圖來源:安全耐震的家。更多工法請見http://www.ncree.org/SafeHome/ncr02/ncr3.htm
打基椿的土壤液化防治工法,即使打不到岩盤深度,夠深的話還是有一定的防治效果。圖來源:安全耐震的家。更多工法請見這裡

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地盤改良的灌漿工法,簡單來說就是把液化潛勢區的地方變成不可能會液化的水泥,並且連接到房子的地基。圖來源:安全耐震的家。
地盤改良的灌漿工法,簡單來說就是把液化潛勢區的地方變成不可能會液化的水泥,並且連接到房子的地基。圖來源:安全耐震的家。

另外,修復方式也是根據類似的原理來復原,如果房屋的主要結構未受破壞,也是可以繼續修復的,但如果破壞的太嚴重,也只得砍掉重練,當然這些還是得請專業的來判斷。

用頂升和灌漿的方式修復液化傾斜的房子。圖來源:安全耐震的家。
用頂升和灌漿的方式修復液化傾斜的房子。圖來源:安全耐震的家。

土壤液化潛勢區公布後,房價會受影響?

那麼最近一直在說要公布的「土壤液化潛勢圖」,為什麼不早公布?難道政府是圖利財團,不想要讓房價跌?在我看來這是個假議題(至於為什麼等等會提),應該先回歸到「液化潛勢的意義是什麼?」來看,至少我們得先了解這個圖怎麼做出來的,又要怎麼解讀才正確?因為不當的解讀反而不易達到原先預想防災效果,只會徒增恐慌和讓不肖建商有更多增加建築成本的說法。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

那我們先來看看何謂「土壤液化潛勢區」。工程上有一些計算的方式,在此為免事情複雜化以致篇幅過長,先從原理面談起。從前面提到土壤液化的原理可以發現不外乎就是三個主要因子:

  • 土:各種性質和粒徑
  • 水:地下水
  • 地震:外在擾動

接著我們再來拆開看,地下水高度、土壤大致上可以從鑽井資料得知,只是會有一個問題就是:取樣偏差。一般來說不會隨便就鑽工程地質鑽井,多半是重大建設或是一些研究需求時才會進行鑽井,這樣沒井的地方怎麼辦?實際上也只能用內插法了,雖然一般工程界不會用很笨的線性內插(這樣會變超不準),而會另外有一些學理上的法則,但實際上沒data的地方就是沒data,我認為還是存在一定誤差。

一般來說,沙質土壤越粗,孔隙越大,水比較容易逃離,而較細的土壤就不好排水,地震來時裡面的孔隙水壓就會比較大,液化的程度會較嚴重,但如果細到黏土程度,或是有黏土填滿砂的孔隙時,這些黏土會讓透水能力變差,裡面的孔隙水壓也不易因擾動而變化,所以鑽井的分析內容大致上是作粒徑、強度以及成分之類,這些都還算蠻基礎的分析(也就是幾乎都會做的)。

至於地震,還沒發生地震怎麼會知道地震有多大呢?這也只能仰賴地震方面的研究,從世界各地過去幾次的大地震引發土壤液化的經驗來看(最早比較開始重視是1964阿拉斯加地震和同年的日本新潟地震,近年的大概就屬921地震和日本311地震),用在探討是否是潛勢區的時候,就會給定一個合理的地震規模和地表加速度值,代入評估的經驗公式來計算(目前筆者看過有使用規模7的、也有用規模7.5來評估的研究,主要應該是依房屋設計耐震規範,小弟的背景偏向地質,故這部分有待指正)。

接著把各個鑽井求出的土壤特性、地下水面高度、地震參數利用經驗公式與統計的方式來評估,就有一個叫「液化潛能指數PL」的參數,之後就把觀測點的資料圖像化,加上一些內插法補點,我想大概就是未來要公布的圖了,而目前會公布的是20公尺以內的資料。

只是公布出來,潛勢高的地方房價會跌嗎?我認為這個問題問太快了,應該先考慮另一件事:住在液化潛勢高地區的人,該怎麼辦?政府該做什麼?民眾自己能做什麼?在看了近期的新聞,幾乎沒有報導提及液化潛勢區的意義,甚至連最重要的一件事也沒有說到:

液化潛勢區的分布圖只能告訴你哪邊「較有可能發生液化」,不代表「真實災情分布」。

液化潛勢區的分布圖只能告訴你哪邊「較有可能發生液化」,不代表「真實災情分布」。

液化潛勢區的分布圖只能告訴你哪邊「較有可能發生液化」,不代表「真實災情分布」。

為什麼?看看這次台南的災區和高液化潛勢分布吧:

來源:國家災害防救科技中心
來源:國家災害防救科技中心

目前安南區並無顯著災情(不知會不會更新),但實際上一堆噴砂和液化導致地表變形的地區散布在各地,反而高潛勢區少有災情。這絕不是因為研究人員亂做亂畫,而是台灣島的侵蝕沉積速率極快,沖積層厚度厚且年輕(年輕等於鬆軟,平原和各處盆地都是這樣),雖然國際上大地工程對液化範圍調查的規範約是 20至 25公尺深,理由是從經驗上含再深一點的深度較不常發生液化的現象,這是有明定規範的規定。

雖然從臺灣的地質角度看總會覺得有點不安,不過畢竟也是由一段時間的研究累積出來的規範,我想還是相信大地工程專業,但我覺得大眾要留給這些研究一點空間,這些規範在早年都還沒訂(沒研究),未來仍有可能會有變動。

再者鑽井處不夠密、鑽井的資料老舊(土和水都會因天然或人為活動有變動),加上前述的取樣偏差與內插法的誤差等等,我們拿到的液化潛勢圖仍會有一定的誤差,因此在行政上若要做出配套政策來因應,就會產生許多難處,譬如要如何定罰則處罰沒有依法施工預防液化的建商,或是如果圖上沒標出卻發生液化的地區是否需要國賠等等,就是我較擔心的層面。在我看來,難以公布的因素不單是政治問題,而是這東西的使用上本來就要仰賴專業解析,這並不容易。日前看了中央大學黃俊鴻教授的臉書PO文,也有提到上述的問題。

source:wikimedia
source:wikimedia

但其實我也贊同透明公開資訊,最理想化是未來再花時間更新補足現有不足的部分,讓公布的圖有一定的精度,或是增加宣導與說明,讓民眾真正理解土壤液化,並從這些防災資訊建立防災意識,才會真正發揮效果。否則徒以房價為理由,焦點又會從防災轉到其它議題,到最後又被說「沒有防災頭腦」,誰願意呢?

在此忍不住提一下,其實液化區域早有人做(譬如這個參考連結),但能怎麼用也是一直沒有人提,這樣的資訊也是無用武之地的。

最後,在液化戳土事件新聞中,似乎又有一項被忽略的事……

《災害防救法》的修法連署

仔細看過災害防救法,就會發現,裡面沒有土壤液化這項災害,而它也算是地震伴隨的災害,理應也要併入來處理。但就新聞得到的資訊,有民代提出受液化影響的災民無法得到補助我實在查不到真假)。不過,災害防救法和一般的法令最大不同的地方,就是它是一個因應天災人災而生的法令,而經常會有大規模的災害發生後,我們才會來檢視法令不足之處。

日本的災害對策基本法來說,裡面涵蓋了非常大的範圍,也有許多「防災」的作為,而我們的《災害防救法》,即使已修改多次,仍有許多不足之處,目前看來也是「救災」的層面為主,較少防災作為,也希望能藉由這個契機,讓防災能更落實。

參考資料與延伸閱讀:

阿樹_96
73 篇文章 ・ 21 位粉絲
地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。