土木工程就是文明工程(VIII)
土木工程與防災-續

文/圖：洪如江

3.3 土木工程與地震災害防治

3.3.1 引 言
地震，尚難預測，發生於數秒之間，受難者根本不及反應，已經是泰山壓頂；因此，極端地震所引發的災害，其震撼性居各種災害之首。在人類幾千年的歷史之中，重大地震災害，常造成改朝換代，或竟造成一個文明的衰亡。希臘及愛琴海的許多古文明，因地震而成廢墟，例如該地區的許多古神廟與古宮殿廢墟；或因強敵乘地震之災入侵而被滅亡，例如邁諾安古文明(Minoans)。
地震，自然現象之一，不可能阻止其發生；而且，一旦發生，常常可以用「一發不可收拾」來形容其慘狀。目前，我們所能做的是：疏減(英文動詞為mitigate，名詞為mitigation)或減輕地震所能引發的災害。
地震相關災害的防治，筆者建議下列層次：

(1) 增進對自然環境(尤其指地形、地質、板塊運動、活動斷層、地震、等等)的了解與防災科技的研發。
(2) 依自然環境特性及防災科技的能力，妥善規劃國土保育與利用。
(3) 建立工程作業(operations，規劃、設計、設計、施工、維修)的法規與制度：在法規方面，例如土木工程法(尚缺)、營造法、工程規則、工程規範(工址調查規範、設計規範、施工規範、維修規範)、等等；在制度方面，例如技師的教育、考試、進修、考核、等等，各種工程作業的審查。
(4) 慎選工址或工程路線：避開活斷層；避開地震可能引起落石或坍方之地，例如峭壁、懸崖、或斷層崖；避開地震可能引起土壤液化之地，如確實難以避免，必須從事地盤改良；明辨工址或工程路線的優劣，在安全與經濟之間求取平衡。
(5) 提昇人造環境的耐震能力：尤其指安全的生活場所(例如住宅、學校、醫院、車站、等等)，多迴路的維生線(例如自來水、電力、瓦斯、等等)，堅固耐久的基本工程(Infrastructures，許多人譯為基礎建設，例如公路、鐵路、機場、海港、防災工程、等等)，等等的耐震能力。
上述第(4)層次，主要屬大地工程的範疇；第(5) 層次，主要屬結構工程的範疇。將進一步加以討論。
筆者所認識的一些外國工程專家學者，一致認為：許多國家的地震規模與震度小於台灣者，但地震災害卻遠大於台灣者，主要在於那些國家沒有像台灣有很好的工程設計規範，施工也很差。台灣的規範，並非完美，但規規矩矩照規範辦理的工程，發生重大災害的機會極低；921地震(民國88年9月21日)之後，規範的增修更為積極。

我國關於工程作業審查方面的制度相當不全。但在超高樓(樓高超過50公尺者)結構外審(獨立審查)方面，效果很好；凡通過結構外審的超高樓，在民國88年的921地震中，全部安然無恙；在921地震中倒塌而造成嚴重人命死亡的高樓，大部分的樓高為49.5公尺左右，係因部分高樓建設業者為逃避結構外審所致，實為人禍。

3.3.2 大地工程與地震災害防治
(1) 選址選線與地震災害防治
從防災的觀點而言，選址或選線正確，就是工程成功的一半。許多工程破壞，常因選址或選線錯誤所致。
台灣921地震之時，中部台3線上的公路橋墩，無一不垮，只因位於車籠埔斷層；石崗壩也是世界上第一座壩工因斷層(車籠埔斷層)錯動而破壞者。因此，任何工程都必須避開活動斷層。一般而言，核能電廠，必須距離活動斷層20公里以上；而普通低層建築，必須距離活動斷層邊緣(因為斷層都有相當寬度)50公尺或100公尺以上；其他重要工程，應辦理動態力學分析，檢驗是否合乎安全距離的要求。

(2) 基礎工程與地震災害防治
堅強穩定的工程基礎，使整個工程在地震中有比較高的存活機會。台灣921地震之時，豐原中正公園內與車籠埔斷層交會的房屋幾乎全被震垮或被震歪斜，但有一棟樓房，因為基礎特別堅固而安然無恙(照片一)；中興新村許多建築嚴重損壞，但一個一體成形的剛強性鋼筋混凝土水塔深深座落地中，一條地表錯動約一公尺的斷層與水塔交會時居然繞道而過，水塔安然無恙(照片二)。剛強性的工程結構物(包括一般建築)，尤其是上部結構(地表看得見的部分)與下部結構一體成形者，耐震能力甚佳。深埋地下的工程結構物，例如隧道、地下電廠、地下庫房、等等，受地震的影響很小，但其出口易被震損。
打樁的振動，可以使鬆砂的地盤變得較為緊密，不但降低土壤液化的可能，而且使工程基礎變得更為堅強。

921地震之時，與車籠埔斷層交會的房屋幾乎全被震倒或被震歪斜，但有一棟樓房，因為基礎特別堅固而安然無恙(洪如江攝於豐原市中正公園

一體成形的剛強性鋼筋混凝土水塔，一條地表錯動達一公尺的斷層與水塔交會時居然繞道而過，水塔安然無恙(洪如江攝)

(3) 邊坡穩定工程與地震災害防治
地震常引起坍方，已經開發的坡地，地震所引起的坍方將更為嚴重。已經開發或發生坍方的坡地，在強烈的地震作用下，鬆動及暫停坡面的坍方土石，將如雪崩一樣，形成無堅不摧的土石潰流(avalanches)，使其下方廣大的地區受到淹埋，也常使其下方的河道形成「堰塞湖」(dam-up lake，landslide lake)，有如台灣的草嶺潭，今年四川汶川地震的許多堰塞湖。坡地的保育與邊坡穩定工程的進一步說明，見3.4節 坡地災害防治。

(4) 土壤液化防治
疏鬆的細沙地盤，易於因地震而發生液化現象，造成房屋、橋樑、碼頭、等等工程的破壞。
以自由落體方式的數十噸重鎚打擊地表，使之破裂、凹陷、排出地中之水，並以砂土補充地盤排水所導致的體積縮小，而使地盤趨於緊密，稱為「動態夯實法」；在地盤中植入許多砂樁排水，在地表堆放重物(例如土堆，在大地工程的專業稱「超載」，英文為surcharge)以加快砂樁排水效果；以振動打樁使沙質地盤趨於緊密；都是常用的方法，以防治土壤液化。

3.3.3 結構工程與地震災害防治
(1) 避免共振
工程結構物的自然頻率須遠離地盤的基本頻率，以免發生共振而破壞。

(2) 採用穩定的結構型態
儘量採用對稱與方正(並非排除圓形)的結構型態。避免奇形怪狀或軟硬混合的結構。
台灣與許多落後國家的中小學教室，走廊與教室之間的窗戶寬敞透光，但支撐(短柱)不足以抵抗地震力，再加粗製濫造，在強烈地震之時，大量倒塌。

(3) 餘裕承力構件的結構系統
結構系統的承力構件需有餘裕(redundancy)，不致於因為一個構件或一個關節的破壞而使整個結構系統崩潰。

(4) 隔震結構系統
在強烈地震帶或活動斷層帶的橋樑，為避免其上部結構(橋之大樑)受到過大的震動，在下部結構(橋墩)與上部結構之間裝置「隔震墊」。有些醫院、實驗室大樓、或高科技廠房，會在基礎與主結構之前，或某一樓層，裝置「隔震墊」，以免地盤震動經過基礎或低樓層上傳。台大土木系研究大樓在二樓裝置「隔震墊」(照片三)，係為研究與教學之用。

(5) 採用韌性材料、韌性構件、韌性接頭、與韌性結構
一般而言，精煉鋼是韌性材料；石塊、磚塊、或混凝土，是脆性材料。但若設計或施工不良，精煉鋼的構件與結構，照樣是脆性的。加勁的混凝土，通常稱為鋼筋混凝土，若設計與施工皆屬良好，也可以成為韌性構件與韌性結構。

任何工程材料、工程構件、接頭、與工程結構，在極端作用力之下，難保不破壞；若採用脆性者，破壞之餘，完全崩潰，甚至於四分五裂，人在其中或其側，除非奇蹟，難有活命機會。若採用韌性者，即使破壞，並不崩潰(照片四)；人在其中或其側，除非已經受到重傷，常能找到保命的空間或逃生的通道。
隧道技工與工程師，當隧道嚴重破壞之後，如果支撐系統(專家稱之為支保工)是鋼結構，只要還剩有可以爬進去的空間，或稍為清理障礙物就有進去的空間，就敢直接進去救人或勘災；如果支撐系統是由石塊、磚塊、或混凝土所構成，必須逐步架設臨時支撐系統與挖出崩塌碎塊，交互進行，得到安全無虞的空間，才敢進入。

三、台大土木系新建研究大樓在二樓裝置隔震墊，隔絕經由基礎及一樓上傳的地盤震動 (洪如江攝)

四、在極端的災害作用下，軔性材料所建造的韌性結構會破壞，但不會崩解 (陳生金教授提供)

圖二 陳生金教授發明之高韌性鋼骨粱柱接頭功能示意圖(陳生金教授提供，洪如江加註)
許多鋼結構的破壞，常由應力集中的接頭開始。圖二、照片五、及照片六示高韌性鋼骨梁柱接頭，由台灣科技大學營建系陳生金教授發明。

日本在阪神大地震之後，其重建之橋樑，多改用鋼樑。台灣921地震之後，許多高樓與超高樓的推案，常強調採用「鋼骨結構」或「加勁鋼骨結構」(SRC)。
古文明(例如希臘、愛琴海地區)以圬工(砌石、砌磚或夯土)建造的工程(神廟、宮殿、拱橋、等等)，在強烈地震作用下，多已崩塌。貧窮國家，即使在20與21世紀交替之際，還住土磚房屋，在強烈地震時，多全面崩塌。

(6) 重視結構細節
921地震以前的台灣，以及許多落後國家，許多鋼筋混凝土建造的房屋，其箍筋量體不足或彎鉤角度不足；地震時，結構柱子的箍筋鬆脫，主筋張開，混凝土爆裂，造成整棟房屋的崩塌。
照片七示台大土木系尹衍樑教授專利技術所製作的螺旋箍筋將主筋嚴密圍束保護，克服上述缺失。照片八示鋼筋混凝土構件(樑或柱)中堅強的鋼筋組構。

(7) 土木工程的工業化與高科技化
本系教授尹衍樑博士，利用自行研發的幾十項專利技術，將土木工程推向高科技化與工業化；許多樑、柱、等等構件，在嚴密控制下的工廠中，製造及保養，品質齊一。完成的樑、柱、等等構件，運往現場組裝，達到高科技產業所要求的「速度」、「品質」、與極高的「良率」。如此建造的工程，在正常使用之中，安全可期；在極端的地震力作用下，存活機率也高。

3.4 坡地災害防治
美國科學院（National Academy of Sciences）在1978年所出版的特別報告176號「Landslides, Analysis and Control」指出80%以上的坡地災害是由人為因素所造成。許多人總以為多數的坡地災害，尤其是極大規模的坡地災害，是天災；但由美國這本特別報告的結論可見：人類才是坡地災害的最大製造者。Leighton（1976）認為：如果採取預防措施，可減少損失達95%至99%之多。筆者認為最大的預防力量就是公權力。

美國在其西北部太平洋海岸山脈從事長期(調查時期最長的有400年)的坍方調查(Doug Heiken,1997)發現：在山地砍伐森林，坍方將增加為自然坍方的10倍左右；在山地開路，坍方將增加為自然坍方的一百左右倍；筆者將其調查結果摘要示如表一。表中最末一排「森林/砍伐/開路=1x/19x/138x」的意思是：原始森林的自然坍方(數量、體積)為1，砍伐森林所引起的坍方為自然坍方的19倍，開路所引起的坍方為自然坍方的138倍，避免開路上山可使山地坍方減少90%左右。

台灣，在山地超限利用、濫墾、濫伐、與濫建，極為普遍，而且與濫開道路上山相互結合，形成惡性循環；其所引起的坍方，不只自然坍方的138倍。筆者意見，在台灣，如果能夠將公權力貫徹到山地禁絕山地超限利用、濫墾、濫伐、與濫建，並停止開路上山，坍方與土石流將只剩下目前的1%左右。
自然坍方是一種自然現象，幾乎非人力所能阻止，也不該加以阻止；否則，下游河道泥沙供應不足，橋樑基礎與堤防基礎將受沖洗而裸露，河口及海岸將後退，濱海地區將有海水倒灌與淹水災害。至於合理的開發，為防治坡地災害，參閱洪如江(民國88年8月)，坡地災害防治。

採用任何方式的邊坡穩定工程(包括生態工程)，都必須辦理邊坡穩定分析，使邊坡穩定的安全系數在1.5以上。

受保護的工程結構物，例如橋墩、房屋建築、等等，不得用作擋土牆，必須與山側邊坡完全切開(圖一)。山側邊坡，需另建完全獨立的護坡工程或擋土牆。擋土牆，以採用能夠充分排水的結構為原則，其背後必須安置有效的濾層，以確保不積水，以免擋土牆受到過大的水壓及土壓力的作用而崩潰。

山坡地的房屋建築，不得建於填土區，更不得跨越挖土區與填土區。

3.5 地盤下陷災害的防治
像台灣雲林與屏東林邊的地盤下陷災害，幾乎全由超抽地下水所引起，如果公權力不解決，要靠工程方法去解決，效果極微，徒然留下一個不切實際的期待、幻想、與永無休止的「淹水災害-救濟」循環。

四、 避難營區的預備
天災、地變、與人禍，與其盼望不發生，不如預作防救的準備。重大災變發生之時，必有許多災民需要安置。先進國家，常有許多防災公園，寬廣的空地，水池，與救災物資(包括藥品、礦泉水、口糧、毛毯、帳篷、照明設備、等等)。每一社區的學校，建於較高的地點，避免洪水或海嘯的侵襲，避免坍方危害之地，結構必須特別安全，即使整個社區建築都已經毀壞，社區學校還必須可以用作災民收容所。

日本北海道奧尻島在強烈地震(1993年7月12日，M=7.8)之後，緊根又受到海嘯侵襲，好幾個社區受災嚴重。其中，青苗社區再因漁船被海嘯推上陸地，衝撞民宅而引發大火災，燒毀300多戶，僅50戶由消防隊拆除部分房屋為防火巷而得以保存。所幸其「青苗中學校」地勢較高，未受海嘯侵襲，且校舍結構堅強而安然無恙。筆者等前往勘災時，收容災民達460多戶(大多安置在其體育館中)，並建立醫療室、廚房、衛浴室、理容室、女士更衣室、郵局、電訊、貸款服務、儲物間、會義室、及各機構之辦公室，由「日赤」(日本紅十字會)主導。參考照片九至照片十三、洪如江與陳亮全(2005/02)。

五、 土木工程防災科技研究
人類文明的演進，與科技的進步息息相關。許多偉大的古文明，以木材、夯土、土磚、或石塊作為工程材料，憑經驗所建造的工程，或不耐火，或不耐震，在極端的天災人禍摧殘之下，有的甚至於可以到達亡國或亡族的程度。鋼鐵與混波特蘭水泥發明之後，再加上牛頓力學的出現，工程的功能、安全性、與防災能力，大為提昇。電腦與數值分析方法成熟之後，奇形怪狀的工程也多能分析、設計、與建造。但因人口急增，弱勢族群(包括美國紐奧良市民)被逼聚居敏感(甚至於危險)地區，災害反而有增無減。防災工程發展的重點應該是讓弱勢族群也有安全的居住環境，離開敏感與危險地區當然是上策，但知易行難，退而求其次，替他們建造合理安全的居住環境與避難所。鋼鐵是很好的工程材料，但在化石能源價格飛漲的情況下，鋼鐵難以成為貧窮人的工程材料。筆者寄望於下一代的工程材料，奈米級的玻璃纖維材料。玻璃的原料，矽砂與矽土，是地球表面最豐富的物質，製成奈米級的玻璃纖維材料，量輕，強度與軔性可比鋼鐵，工作性應比鋼鐵更好。

維生線與基本工程(基礎建設)的防災科技研究，對所有人都重要。

土木工程防災科技的研發，若是以滿足大富豪需要的超級豪宅或超級旅館為目的，或為了滿足虛榮心去建造200層高樓，而無視於十億貧窮人的需要，反而是人類文明的後退。

高韌性鋼骨梁柱接頭，台灣科技大學營建系 (陳生金教授發明並攝影)

陳生金教授發明之鋼結構高韌性接頭足尺模型 (洪如江攝於台灣科技大學)

鋼筋混凝土柱的螺旋箍筋將主筋嚴密圍束，在強烈地震時今固若金湯，尹衍樑教授發明 (洪如江攝)	鋼筋混凝土構件中的鋼筋組構，箍筋必須量足且其末端彎入內部，潤泰營建團隊作品 (洪如江攝)

日本北海道奧尻島青苗社區受地震(19970712)、海嘯及大火災，社區幾乎全毀，但其青苗中學校安然無恙，成為災民收容所(洪如江攝)

青苗中學校體育館收容460多戶災民，日本北海道奧尻島(洪如江攝)

青苗中學校成為青苗社區的最後避難所，日本北海道奧尻島(洪如江攝)

青苗中學校保健室成為災民收容所的診療所，日本北海道奧尻島(洪如江攝)

青苗中學校教室成為災民收容所的廚房，日本北海道奧尻島(洪如江攝)

六、 結 論
安全的居住環境，是人的基本權利，也是人的基本責任。所謂的人，包括自然人與法人；而所謂人的基本責任，雖然所有的人都有責任，土木工程界有很大的責任，但是政府官吏與政府機器掌握了最大的資源與公權力，責任尤其重大。
災害的發生，有自然因素與人為因素。人為因素所造成的災害，其實遠遠超過自然因素所引發的災害。在山地，違法的超限利用、濫墾、濫伐、濫建、濫開道路，是造成坍方與土石流的元兇；而坍方土石，在強烈地震的推動下，將摧毀廣大的生靈與我們賴以安身立命的環境，或使其下方的河道形成「堰塞湖」，形同不定時炸彈。在平地，違法濫抽地下水，造成嚴重的地盤下陷，海水倒灌或豪雨所造成的淹水，將使國土逐漸流失。

台灣的人民，絕大多數都極為良善，但也有一些惡勢力，形成堅強的共犯結構，持續地且肆無忌憚地破壞我們的國土，而公權力萎縮，其實就是台灣最大的災源。潘富俊(民國92年4月25日，大自然季刊，第79期)寫道「中華民國的治權不及於大陸也不及於中橫公路？!」，其實就是最好的寫照。

學校建築在地震中領先倒塌，見之於民國88年的921地震，也見之於2008年的512四川地震；印證了海峽兩岸政治人物對「教育」的重視?!

災害預防重於災害治療，早就已經是眾所周知的公理。若是忽視災害預防而奢談災害防治，其實只剩下救災，在重大災害發生時產生幾個救災英雄。

災害預防，最基本的要素應該是：妥善的國土保育及開發規劃、公權力在國土保育的行使、與工程作業的法規與制度的建立；這一方面，在先進國家已經不是問題，但在台灣反而是最大的問題。

本文簡要地陳述了土木工程在災害防治的能與不能。土木工程界在專業的知識方面，永遠有進步的空間，讓我們努力以赴。

參考文獻
邱建國(2005/02)，「南亞大地震與海嘯」，土木水利第32卷第1期，4-6頁。
洪如江(民國88年8月)，坡地災害防治，補助單位：行政院國家科學委員會，執行單位：國立台灣大學防災國家型科技計畫辦公室，編號NAPHM-M001。
洪如江與陳亮全(2005/02)，「1993年7月12日之日本北海道西南方地震海嘯事件的回顧與檢討」，土木水利第32卷第1期，7-9頁。
洪如江(2006/08)，天、地、人與大地工程，財團法人台灣省大地工程技師公會與財團法人台北市大地工程技師公會發行。
美國地質調查所，http://www.usgs.gov/。
日本氣象廳，http://www.jma.go.jp/。
中國土木水利工程學會土木水利32卷第5期(民國94年10月)：Hurricane Katrina專刊。
Leighton, F.B.,（1976）, Urban Landslides：Targets for Land-use Planning in California. In Urban Geomorphology, Geological Society of America, Special Paper 174, 1976, pp.37- 60.
Schuster, R.L., and Krizek, R.J., editors（1978）, Landslides, Analysis and Control , National Academy of Sciences, Washington, D.C.

誌 謝
感謝台灣科技大學營建系陳生金教授提供高韌性鋼骨粱柱接頭資料。