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走過「世界屋脊」追尋它的誕生——摩登探險家的地質調查之路

研之有物│中央研究院_96
・2017/11/12 ・3879字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 504 ・六年級

為什麼要到世界各地採集火成岩?

中研院地球所所長鍾孫霖院士,在 1997 年展開「東亞地體構造演化整合型研究計畫 (CREATE) 」,二十年間到西藏、高加索、伊朗、東南亞等地做地質調查。利用火成岩樣本的地球化學分析結果,重新詮釋東亞地體構造的歷史,揭開山脈形成的奧秘,也有助於人們了解臺灣周圍的板塊活動。

鍾孫霖與團隊在西藏進行地質調查。 資料來源/鍾孫霖提供

地質學家過著什麼樣的生活呢?「有些朋友開玩笑,說我們到處去遊山玩水」鍾孫霖笑著說。

實際上,地質調查相當辛苦,工作的地方都在荒郊野外,吃、住經常感到克難。在西藏、雲南做調查的時候,找到能住的地方就住,雖然是冬天,但是棉被味道很重而無法直接蓋在身上。附近有公共水池,但是冬天實在太冷,在野外多日都無法洗澡。

走遍天涯海角追尋線索

我們像福爾摩斯探案、或是李昌鈺博士探案。他們研究的是人的犯罪紀錄,我們研究的是「老天爺」的犯罪紀錄。大自然的紀錄,主要就保留在石頭裡面。

鍾孫霖跑遍世界各地,做地質調查。先去了越南,又到了西藏。接著沿著絲路,往伊朗、安納托利亞高原前進。近幾年,則轉向東南亞探勘。走遍天涯海角,目的就是想要解答:地球的板塊過去如何活動?世界上的大山,如何在板塊的擠壓下誕生?

孫霖團隊的 CREATE 計畫,從 1997 年發展至今,調查過西藏、 CIA 地區 (Caucasus-Iran-Anatolia)、東南亞等地。 資料來源/鍾孫霖提供;圖說重製/歐柏昇、張語辰

地質學家想追尋板塊活動留下來的蛛絲馬跡,需要跑野外找石頭,甚至要經歷長途跋涉的探案過程。

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最初,因為「南海張裂」與「臺灣島的誕生」相關,鍾孫霖想了解南海張裂的過程,於是到南海另一端的越南,尋找紅河斷裂帶的地質紀錄。「紅河斷裂帶」的形成,則來自於一件重大的地質事件──「印度與歐亞大陸碰撞」。為了尋找碰撞的線索,鍾孫霖先追到雲南,又繼續追到西藏。

追查世界屋脊的誕生

地球的故事是這樣的:恐龍滅絕(6500 萬年前)以來,最重要的造山事件,就是約 6000 萬年前發生的印度與歐亞大陸碰撞。這次碰撞造就了「世界屋脊」,造出喜馬拉雅山和青藏高原。此外,還引發諸多效應。

一方面,印度撞上亞洲,後來阿拉伯也撞上來,把特提斯洋(古地中海)關掉,改變全球洋流系統。另一方面,有一塊陸地在擠壓過程中脫逃出去,那就是中南半島。紅河斷裂帶的脫逃,就造成南海的張裂。

鍾孫霖談到,世界屋脊的地質研究有許多天然限制。可能在地質圖上看到某個區域值得採樣,卻發覺位在海拔七千公尺的高山上,根本到不了。就算能夠到達,可能因為冰雪覆蓋而無法取得石頭樣本。就算取得樣本,也可能經過風化、侵蝕,不再保持原來的地質紀錄。

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鍾孫霖前往西藏研究世界屋脊的誕生。圖為羊卓雍錯。 攝影/鍾孫霖

在斷簡殘編的地質紀錄當中,鍾孫霖的團隊仍然得出了不少成果,包括把西藏的岩漿紀錄整理了出來,找出規律。

過去有個說法, 3000 公里寬的印度撞上歐亞大陸,是西邊的角先撞上,東邊的角稍晚旋轉過來撞上。不過,鍾孫霖經由地球化學的分析,推翻過去的說法,證實碰撞過程是東、西兩端「齊頭並進」。

解開謎團的秘密武器:摩登地球化學

地質學家的「探案」過程,是怎麼抽絲剝繭呢?

鍾孫霖說明,他的專長領域地球化學,是透過推知岩漿活動的年紀,以及火成岩的成分、地球化學特性,來反推當初發生事件的時代,或者是地質動力的過程。

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地質調查工作的第一步,是到野外找石頭。 攝影/張語辰

石頭採集回來之後,用最新的儀器,準確測量石頭的年齡。測量年齡非常重要,如果有不同時代的紀錄,較能看到事情的全貌。經由岩石學與地球化學分析,可了解岩石的特徵是哪些地質作用造成。結合各種證據,最後回推當初演化的過程。

我都說,我是做「摩登地球化學」,用最新的儀器和設備。

鍾孫霖的實驗室中,使用數種的質譜儀,測定岩石的成分與年齡。其中有一項新技術,是利用火成岩當中的一種礦物「鋯石」來定年。

鋯石是抵抗力很強的礦物,可以忠實保存形成時的紀錄原貌,很適合拿來定年。但是一顆鋯石只有 100 微米左右大小,過去很難分析,直到近年才有新技術。實驗室裡的分析方法,是將雷射光打在鋯石上,打出一些小顆粒,用氣體送到質譜儀裡,測量放射性同位素含量。如此可以估算出鋯石的年齡,也就知道整個火成岩的年齡了。

鋯石是一種適合拿來為火成岩定年的礦物。實驗室中將其置入樹脂做成樣品靶,再用雷射將顆粒打出,送入質譜儀測量。資料來源/中研院地球科學研究所 – 質譜儀實驗室;攝影/張語辰。

 

除了石頭樣品靶,另一種方式是使用石頭粉末溶液,透過進樣機送入質譜儀測量。資料來源/中研院地球科學研究所 – 質譜儀實驗室;圖說設計/歐柏昇、張語辰。

受到馬友友啟發,沿著絲路探險

大約十年前,鍾孫霖把研究焦點離開西藏,轉向所謂的「CIA (高加索 / 伊朗 / 安納托利亞)」地區。

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西藏是 6000 萬年前碰撞的老造山帶,很多年輕的紀錄已經消失,而 CIA 地區則是約 3000 萬年前碰撞的年輕造山帶。鍾孫霖當時就想,也許可以透過兩邊的對比研究,彌補西藏缺乏的年輕紀錄。「雙城記」是「兩個城市一個故事」,這個研究的出發點則是「雙山記」,「兩個造山帶一個故事」。

鍾孫霖展開一系列的「絲路計畫」,其實受到了馬友友的啟發。馬友友玩音樂多年,想要突破,因而找了一群絲路國家的音樂家,組成絲路樂團,希望創造出新的音樂形式。鍾孫霖則想要以地質絲路計畫,「創造」新的解釋、新的地質模型。而團隊於 1997 年開始的研究計畫,就是簡稱 CREATE ,意即創造。

但沿著絲路調查好幾年,才發現真實情況與原來想像的「兩座山一個故事」並不一樣。 CIA 地區的造山帶,其實不是西藏的年輕版。真正與西藏相似的造山帶,其實是「東南亞」。

轉向天然的實驗室──東南亞

我們何不趕快回到東南亞,回到這個天然的實驗室──板塊運動正在進行的地方,有很多年輕的紀錄。我們不只看到遺跡,還有機會看到過程。在犯罪現場,可以直接看到兇手怎麼造這個紀錄。

現今的東南亞正在發生造山事件,類似西藏在 6000 萬年前發生的事。 資料來源│Ren, J.S. et al. / Journal of Asian Earth Sciences 72 (2013) 3-11。圖說重製/歐柏昇、張語辰

亞洲大陸的形成過程,是一塊又一塊的陸塊貼上來,把中間的古海洋關閉,匯聚成大陸。「印度」撞上「亞洲大陸」是 6000 萬年前的事情,而「澳洲」撞上「東南亞」則是正在發生的事。東南亞的邊緣受到擠壓,未來將造出「東南亞的岡底斯山」,出現新的亞洲大陸。現在印尼有大量的活火山,那就是造山運動的前奏。

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從「他山之石」了解我們的家園

鍾孫霖回到東南亞研究,其實也跟臺灣有關。臺灣是非常活躍的造山帶,只花了 600 萬年,就完成別的地方 6000 萬年才完成的造山事件──這也就表示臺灣的地質過程非常激烈,天然災害也就多了。從東南亞取經,可以更容易了解臺灣。

地球科學是「對比」的學問。到別的地方借鏡,就聯想回來,有沒有可以比較的過程在我們家裡發生。

最近,鍾孫霖與臺大地質系陳文山教授合作,發表玉里變質岩帶的新詮釋。根據鈾-鉛同位素定年的結果,玉里帶的石頭並不是原來以為的形成於中生代,而是更年輕。

年紀改寫,整個故事就要改寫了。

研究結果顯示,臺灣的弧陸碰撞,也就是「呂宋島弧」撞上「歐亞大陸」生成臺灣島的過程,可能沒有那麼單純。歐亞大陸不是一直停在那裡,等著呂宋島弧來撞。事實上,太魯閣、中央山脈東側等地,當初可能是「南海張裂」時裂出去的一塊,後來因板塊運動而被運送回來。這就像一個溜溜球的過程。

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鼓勵年輕人多出去走一走

鍾孫霖強調,地球科學是對比的科學,研究者需要有寬廣的知識面,必須走出去擴大眼界。野外地質調查非常辛苦,但是跑了這麼多的地方,才能從對比研究看見板塊活動的全貌。不僅如此,他們也在跑野外的過程中,看到各地的風貌。

地質學家跑野外,常常吃得很糟,但是可以遇見不同的食物、不同的文化、不同的人、不同的語言、不同的思維方式。

鍾孫霖前往伊朗跑野外地質調查,發覺當地民眾十分友善。 資料來源/鍾孫霖提供。

鍾孫霖去越南的時候,有人跟他說「越南這個小國家」,其實這是夜郎自大。事實上,透過學術研究的合作,軟實力到達了越南,讓臺灣多了很多資源。

另外,去伊朗的時候,鍾孫霖發現,這個平時大家都認為很危險的地方,其實與們想像不同。在伊朗鄉下跑野外,跟當地老百姓第一手接觸,才發現當地人非常友善,看到外地人來,把最好的水果、茶都拿出來迎賓。到了高加索三小國之一喬治亞,那裡則有很好的葡萄酒,令人感到野外工作沒那麼辛苦。

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不只地質學家需要走出去,鍾孫霖更鼓勵年輕人多出去走一走,去欣賞不同的文化。如果板塊會移動,人又豈能只留在原地呢。

 

延伸閱讀

 

CC 4.0

 

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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從PD-L1到CD47:癌症免疫療法進入3.5代時代
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/25 ・4544字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文與 TRPMA 台灣研發型生技新藥發展協會合作,泛科學企劃執行

如果把癌細胞比喻成身體裡的頭號通緝犯,那誰來負責逮捕?

許多人第一時間想到的,可能是化療、放療這些外來的「賞金獵人」。但其實,我們體內早就駐紮著一支最強的警察部隊「免疫系統」。

既然「免疫系統」的警力這麼堅強,為什麼癌症還是屢屢得逞?關鍵就在於:癌細胞是偽裝高手。有的會偽造「良民證」,騙過免疫系統的菁英部隊;更厲害的,甚至能直接掛上「免查通行證」,讓負責巡邏的免疫細胞直接視而不見,大搖大擺地溜過。

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過去,免疫檢查點抑制劑的問世,為癌症治療帶來突破性的進展,成功撕下癌細胞的偽裝,也讓不少患者重燃希望。不過,目前在某些癌症中,反應率仍只有兩到三成,顯示這條路還有優化的空間。

今天,我們要來聊的,就是科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?

科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?/ 圖片來源:shutterstock

免疫療法登場:從殺敵一千到精準出擊

在回答問題之前,我們先從人類對抗癌症的「治療演變」說起。

最早的「傳統化療」,就像威力強大的「七傷拳」,殺傷力高,但不分敵我,往往是殺敵一千、自損八百,副作用極大。接著出現的「標靶藥物」,則像能精準出招的「一陽指」,能直接點中癌細胞的「穴位」,大幅減少對健康細胞的傷害,副作用也小多了。但麻煩的是,癌細胞很會突變,用藥一段時間就容易產生抗藥性,這套點穴功夫也就漸漸失靈。

直到這個世紀,人類才終於領悟到:最強的武功,是驅動體內的「原力」,也就是「重新喚醒免疫系統」來對付癌症。這場關鍵轉折,也開啟了「癌症免疫療法」的新時代。

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你可能不知道,就算在健康狀態下,平均每天還是會產生數千個癌細胞。而我們之所以安然無恙,全靠體內那套日夜巡邏的「免疫監測 (immunosurveillance)」機制,看到癌細胞就立刻清除。但,癌細胞之所以難纏,就在於它會發展出各種「免疫逃脫」策略。

免疫系統中,有一批受過嚴格訓練的菁英,叫做「T細胞」,他們是執行最終擊殺任務的霹靂小組。狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,這個偽裝的學名,「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, PD-L1) 」,縮寫PD-L1。

當T細胞來盤查時,T細胞身上帶有一個具備煞車功能的「讀卡機」,叫做「程序性細胞死亡蛋白受體-1 (programmed cell death protein 1, PD-1) 」,簡稱 PD-1。當癌細胞的 PD-L1 跟 T細胞的 PD-1 對上時,就等於是在說:「嘿,自己人啦!別查我」,也就是腫瘤癌細胞會表現很多可抑制免疫 T 細胞活性的分子,這些分子能通過免疫 T 細胞的檢查哨,等於是通知免疫系統無需攻擊的訊號,因此 T 細胞就真的會被唬住,轉身離開且放棄攻擊。

這種免疫系統控制的樞紐機制就稱為「免疫檢查點 (immune checkpoints)」。而我們熟知的「免疫檢查點抑制劑」,作用就像是把那張「偽良民證」直接撕掉的藥物。良民證一失效,T細胞就能識破騙局、發現這是大壞蛋,重新發動攻擊!

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狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,也就是「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, 縮寫PD-L1) 」/ 圖片來源:shutterstock

目前免疫療法已成為晚期癌症患者心目中最後一根救命稻草,理由是他們的體能可能無法負荷化療帶來的副作用;標靶藥物雖然有效,不過在用藥一段期間後,終究會出現抗藥性;而「免疫檢查點抑制劑」卻有機會讓癌症獲得長期的控制。

由於免疫檢查點抑制劑是借著免疫系統的刀來殺死腫瘤,所以有著毒性較低並且治療耐受性較佳的優勢。對免疫檢查點抑制劑有治療反應的患者,也能獲得比起化療更長的存活期,以及較好的生活品質。

不過,儘管免疫檢查點抑制劑改寫了治癌戰局,這些年下來,卻仍有些問題。

CD47來救?揭開癌細胞的「免死金牌」機制

「免疫檢查點抑制劑」雖然帶來治療突破,但還是有不少挑戰。

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首先,是藥費昂貴。 雖然在台灣,健保於 2019 年後已有條件給付,但對多數人仍是沉重負擔。 第二,也是最關鍵的,單獨使用時,它的治療反應率並不高。在許多情況下,大約只有 2成到3成的患者有效。

換句話說,仍有七到八成的患者可能看不到預期的效果,而且治療反應又比較慢,必須等 2 至 3 個月才能看出端倪。對患者來說,這種「沒把握、又得等」的療程,心理壓力自然不小。

為什麼會這樣?很簡單,因為這個方法的前提是,癌細胞得用「偽良民證」這一招才有效。但如果癌細胞根本不屑玩這一套呢?

想像一下,整套免疫系統抓壞人的流程,其實是這樣運作的:當癌細胞自然死亡,或被初步攻擊後,會留下些許「屍塊渣渣」——也就是抗原。這時,體內負責巡邏兼清理的「巨噬細胞」就會出動,把這些渣渣撿起來、分析特徵。比方說,它發現犯人都戴著一頂「大草帽」。

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接著,巨噬細胞會把這個特徵,發布成「通緝令」,交給其他免疫細胞,並進一步訓練剛剛提到的菁英霹靂小組─T細胞。T細胞學會辨認「大草帽」,就能出發去精準獵殺所有戴著草帽的癌細胞。

當癌細胞死亡後,會留下「抗原」。體內的「巨噬細胞」會採集並分析這些特徵,並發布「通緝令」給其它免疫細胞,T細胞一旦學會辨識特徵,就能精準出擊,獵殺所有癌細胞。/ 圖片來源:shutterstock

而PD-1/PD-L1 的偽裝術,是發生在最後一步:T 細胞正準備動手時,癌細胞突然高喊:「我是好人啊!」,來騙過 T 細胞。

但問題若出在第一步呢?如果第一關,巡邏的警察「巨噬細胞」就完全沒有察覺這些屍塊有問題,根本沒發通緝令呢?

這正是更高竿的癌細胞採用的策略:它們在細胞表面大量表現一種叫做「 CD47 」的蛋白質。這個 CD47 分子,就像一張寫著「自己人,別吃我!」的免死金牌,它會跟巨噬細胞上的接收器─訊號調節蛋白α (Signal regulatory protein α,SIRPα) 結合。當巨噬細胞一看到這訊號,大腦就會自動判斷:「喔,這是正常細胞,跳過。」

結果會怎樣?巨噬細胞從頭到尾毫無動作,癌細胞就大搖大擺地走過警察面前,連罪犯「戴草帽」的通緝令都沒被發布,T 細胞自然也就毫無頭緒要出動!

這就是為什麼只阻斷 PD-L1 的藥物反應率有限。因為在許多案例中,癌細胞連進到「被追殺」的階段都沒有!

為了解決這個問題,科學家把目標轉向了這面「免死金牌」,開始開發能阻斷 CD47 的生物藥。但開發 CD47 藥物的這條路,可說是一波三折。

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不只精準殺敵,更不能誤傷友軍

研發抗癌新藥,就像打造一把神兵利器,太強、太弱都不行!

第一代 CD47 藥物,就是威力太強的例子。第一代藥物是強效的「單株抗體」,你可以想像是超強力膠帶,直接把癌細胞表面的「免死金牌」CD47 封死。同時,這個膠帶尾端還有一段蛋白質IgG-Fc,這段蛋白質可以和免疫細胞上的Fc受體結合。就像插上一面「快來吃我」的小旗子,吸引巨噬細胞前來吞噬。

問題來了!CD47 不只存在於癌細胞,全身上下的正常細胞,尤其是紅血球,也有 CD47 作為自我保護的訊號。結果,第一代藥物這種「見 CD47 就封」的策略,完全不分敵我,導致巨噬細胞連紅血球也一起攻擊,造成嚴重的貧血問題。

這問題影響可不小,導致一些備受矚目的藥物,例如美國製藥公司吉立亞醫藥(Gilead)的明星藥物 magrolimab,在2024年2月宣布停止開發。它原本是預期用來治療急性骨髓性白血病(AML)的單株抗體藥物。

太猛不行,那第二代藥物就改弱一點。科學家不再用強效抗體,而是改用「融合蛋白」,也就是巨噬細胞身上接收器 SIRPα 的一部分。它一樣會去佔住 CD47 的位置,但結合力比較弱,特別是跟紅血球的 CD47 結合力,只有 1% 左右,安全性明顯提升。

像是輝瑞在 2021 年就砸下 22.6 億美元,收購生技公司 Trillium Therapeutics 來開發這類藥物。Trillium 使用的是名為 TTI-621 和 TTI-622 的兩種融合蛋白,可以阻斷 CD47 的反應位置。但在輝瑞2025年4月29號公布最新的研發進度報告上,TTI-621 已經悄悄消失。已經進到二期研究的TTI-622,則是在6月29號,研究狀態被改為「已終止」。原因是「無法招募到計畫數量的受試者」。

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但第二代也有個弱點:為了安全,它對癌細胞 CD47 的結合力,也跟著變弱了,導致藥效不如預期。

於是,第三代藥物的目標誕生了:能不能打造一個只對癌細胞有超強結合力,但對紅血球幾乎沒反應的「完美武器」?

為了找出這種神兵利器,科學家們搬出了超炫的篩選工具:噬菌體(Phage),一種專門感染細菌的病毒。別緊張,不是要把病毒打進體內!而是把它當成一個龐大的「鑰匙資料庫」。

科學家可以透過基因改造,再加上AI的協助,就可以快速製造出數億、數十億種表面蛋白質結構都略有不同的噬菌體模型。然後,就開始配對流程:

  1. 先把這些長像各異的「鑰匙」全部拿去試開「紅血球」這把鎖,能打開的通通淘汰!
  2. 剩下的再去試開「癌細胞」的鎖,從中挑出結合最強、最精準的那一把「神鑰」!

接著,就是把這把「神鑰」的結構複製下來,大量生產。可能會從噬菌體上切下來,或是定序入選噬菌體的基因,找出最佳序列。再將這段序列,放入其他表達載體中,例如細菌或是哺乳動物細胞中來生產蛋白質。最後再接上一段能號召免疫系統來攻擊的「標籤蛋白 IgG-Fc」,就大功告成了!

目前這領域的領頭羊之一,是美國的 ALX Oncology,他們的產品 Evorpacept 已完成二期臨床試驗。但他們的標籤蛋白使用的是 IgG1,對巨噬細胞的吸引力較弱,需要搭配其他藥物聯合使用。

而另一個值得關注的,是總部在台北的漢康生技。他們利用噬菌體平台,從上億個可能性中,篩選出了理想的融合蛋白 HCB101。同時,他們選擇的標籤蛋白 IgG4,是巨噬細胞比較「感興趣」的類型,理論上能更有效地觸發吞噬作用。在臨床一期試驗中,就展現了單獨用藥也能讓腫瘤顯著縮小的效果以及高劑量對腫瘤產生腫瘤顯著部分縮小效果。因為它結合了前幾代藥物的優點,有人稱之為「第 3.5 代」藥物。

除此之外,還有漢康生技的FBDB平台技術,這項技術可以將多個融合蛋白「串」在一起。例如,把能攻擊 CD47、PD-L1、甚至能調整腫瘤微環境、活化巨噬細胞與T細胞的融合蛋白接在一起。讓這些武器達成 1+1+1 遠大於 3 的超倍攻擊效果,多管齊下攻擊腫瘤細胞。

結語

從撕掉「偽良民證」的 PD-L1 抑制劑,到破解「免死金牌」的 CD47 藥物,再到利用 AI 和噬菌體平台,設計出越來越精準的千里追魂香。 

對我們來說,最棒的好消息,莫過於這些免疫療法,從沒有停下改進的腳步。科學家們正一步步克服反應率不足、副作用等等的缺點。這些努力,都為癌症的「長期控制」甚至「治癒」,帶來了更多的希望。

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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

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「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。

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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。

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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?

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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【成語科學】滴水石穿:地質的漸進性變化
張之傑_96
・2023/07/05 ・1056字 ・閱讀時間約 2 分鐘

東漢史學家班固所著的《漢書》,是中國第一部斷代史。

該書〈枚乘傳〉有這樣一句話:

「泰山之霤穿石,單極之綆斷幹。」

意思是說,泰山的滴水可以滴穿岩石,單獨一條井繩可以磨斷井欄上的木架。

班固的這兩句話,演變成兩個成語:滴水石穿、繩鋸木斷。這兩個成語的意義相同,比喻只要有恒心毅力,就能夠成功。

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水將石頭切割出各種形狀。圖 /Envato Elements

滴水石穿,也作滴水穿石,或水滴石穿,其中以前者最為常見,讓我們試著造個句吧。

  • 屋簷的滴水,將簷下的地磚滴出一溜小坑洞,這是水滴石穿的實例啊!
  • 古人說:繩鋸木斷,水滴石穿,只要有恆心毅力,哪有解決不了問題。

滴水果真能穿石嗎?豈只能穿石,還能鑿穿大山呢!你去過太魯閣嗎?壁立千仞的立霧溪峽谷,就是立霧溪經年累月沖蝕、切割出來的。你去過北海岸的石門洞嗎?那是海浪長期拍打、侵蝕形成的。除了水的作用,風蝕作用也不容小覷。你去過野柳嗎?那些奇岩怪石,包括聞名的女王頭,主要是風蝕作用形成的。

小朋友或許會說,河川和風力真有那麼大的力量嗎?我怎麼看不出來!要知道,除了地震、火山等劇烈活動,一般地質變化都非常緩慢,我們雖看不出來,卻是塑造地形、地貌的主要力量。

直到 19 世紀初,人們仍相信「災變論」,也就是說,地球上曾發生過突然的、災變性的變化,山脈、峽谷都可頃刻形成。他們認為,上帝可以隨意塑造地球,大自然不是科學所能解釋的。1830~1833 年,英國地質學家萊爾連續出版《地質學原理》三卷,推翻了災變論。萊爾認為,地球的變化是風霜雨露等長期、緩慢作用的結果。

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河川和風力是塑造地貌的主要力量。圖/Envato Elements

火山、地震等地質活動,看似驚天動地,其實影響有限。真正影響深遠的,仍是我們察覺不出的漸進性變化。我們覺察不出菲律賓海板塊仍在擠壓歐亞板塊,台灣和中央山脈就是這樣形成的。

我們察覺不出河川的侵蝕作用,台灣山區的大小峽谷,就是溪流長年累月切割出來的。地球有幾十億年的歷史,有道是:時間可以改變一切,只要加上時間因素,任何我們意想不到的變化都可能發生。

總之,成語水滴石穿,不僅是句激勵人的話,它說明了地質上的漸進性變化,它是有科學根據的。

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