分階式鋼管排樁工法抑制土石流之可行性初探

台灣位處歐亞板塊及菲律賓板塊交界地帶，每年發生的地震次數頻繁，復因颱風、暴雨、地文、地質等自然因素及不當開發之人為因素，山坡地常有土石崩落之情形，而逐次崩落的鬆散土石堆積在溪流之中上游沿線，日久即形成不安定土層(滑動層)。加上近年極端氣候之出現，經常性發生超大及超長延時的暴雨，助長了大規模土石流災害的發生。農委會水土保持局101年已公告全台1660條土石流潛勢溪流。土石流輕則造成房屋、農地及財物的損失，重則奪取數十乃至數百條人命，以及摧毀道路及橋樑等設施，經濟損失難以估計。由於土石流的強大破壞力，目前所採用的防治工法，功能及效果均屬有限，災後政府及民間均得投入大量人力、財力及物力，以協助災區及災民進行復建及重建工作。

目前仍難以科學方式準確預判土石流將會發生之地點及規模。而水土保持局採用的土石流警戒基準值，係利用中央氣象局之雨量資料，以有效累積雨量及降雨強度之乘積為降雨驅動指標(RTI)，將具有相類似性質之土石流潛勢溪流集水區整合為一群集，以統計方法計算出同一群集之土石流降雨警戒雨量值，再行簡化為累積雨量，以訂定各地區之土石流警戒基準值，提供於疏散避難時之參考。因此，可以說目前僅能以消極手段，依照保全對象之規模及重要性，採取下列二種預警模式：

1、 接觸式(事發型)：土石流發生後，以鋼索、地聲等方式得知土石流流動情形，並通知居民疏散，其準確度較高，但應變時間太短、設備維設不易。

2、 非接觸式(事前型)：以雨量作為土石流發生之警戒值，當雨量超過警戒值時(以50mm為1級距，土石流警戒基準值範圍以200mm為下限、600mm為上限，共9個級距)，即可儘早通知居民疏散，此法應變時間長，設備維護及資料傳輸容易，但準確度較低。

依據「水土保持技術規範第七十條」：土石流之防治可採用抑制、攔阻、疏導、淤積、緩衝等方式，必要時得視現況進行監測。又依「地質法」子法「地質敏感區基地地質調查及地質安全評估作業準則第二十五條第一項第(七)款」：土石流治理工程措施：抑制、攔阻、護岸及疏導工程，包括攔砂壩、防砂壩、固床工及緩衝林帶。目前國內已採用的土石流防治工法，包括源頭治理、坡面打樁編柵、攔砂壩(透過性及非透過性)、防砂壩、固床工、緩衝林帶、淤積工等。根據了解，由於土石流具有直進特性，加上量體巨大、流速快、泥砂濃度高、沖蝕力強及衝擊力大，一旦發生土石流，沿線所設置前述工法的實體幾乎都遭到掩埋或破壞，多數已無法再修復使用，有如「一次拋」用品一般，可說投資成本高、長期效益不佳。

作者乃提出「分階式鋼管排樁工法」(Multi-layer steel pipe wall method)來抑制土石流的發生，其方法乃在土石堆積的坡面，視實際需要採用分階式的鋼管排樁(如圖1所示)，藉以切分整個堆積土石成數個較小塊體，以降低坡面土體之驅動力，並用來抵擋分階內土石下滑之驅動力；然而，在有滑動潛勢的坡面進行排樁施工，應避免使用打入或錘擊方式，以免打擊及震動作用力引發土石之滑動或崩落，而且一般的鑽掘樁因施工條件限制，樁身不長，最好的方法就是採用鋼管排樁，並以機械壓入方式施作。

橋樑工程基樁施工的全套管基樁工法(All-casing piles)，乃是利用搖管器(Oscillator)以油壓靜態方式，將鋼製套管(管徑可達3公尺)扭轉壓入土層內，藉以保護孔壁避免崩塌，再利用旋鑽機鑽掘或用吊車配合蜆式抓斗取出管內土石，反覆接長及壓入套管，並持續挖掘或抓出土石，達到設計深度後，清除樁底淤泥，再吊放鋼筋籠，使用特密管灌漿後，逐步將套管分段拔出，直到混凝土澆置達到樁頭預定高程為止。「分階式鋼管排樁工法」即是利用搖管器以油壓靜態方式，將鋼製套管扭轉壓入土層內，利用吊車配合抓斗取出管內土石，接長套管後再反覆壓入套管並持續抓出土石，直到鋼管之設計預定深度；但與全套管基樁不同的是，本工法並不將鋼管拔出，也不需吊放鋼筋籠及澆置混凝土，只需將所抓出的土石再吊放回去，即是以鋼管排樁及其內部土石作為擋土設施，來抑制土石流的發生。使用鋼管排樁尚兼具其他工法所沒有的優點：1)事後發現土層內鋼樁深度不足時，可再以搖管器壓入鋼管，增加其深度，2)因土石持續堆積，地表上鋼樁高度不足時，隨時可將鋼樁往上接長，3)有朝一日，鋼管排樁已無用武之地時，再以搖管器將鋼管拔出，讓一切回復其自然狀態，4)鋼管內可埋設水位觀測計，以供後續監測之用。

假設有一土石流潛勢區，其坡面土石堆積寬度為15公尺、長度為120公尺，土層平均厚度為8公尺，經地質鑽探後評估研判，需使用直徑1.2公尺、長度20公尺的鋼樁三排，每排十根，計使用三十根鋼樁。初估每根鋼樁之施工及材料成本約為14.4萬元，施作三十根鋼樁加上其他費用(動員費、交通運輸費、事前地質鑽探分析、施工便道開闢及復舊、現場安全及監控設施、危險場所施工外加保險費等)，本案例約需900萬元(各案所需經費之多寡將因工區位置之遠近、可及性、基岩層施工性、動員費用、現場安全及監控設施之選用、天候及工期因素之不同有所差異)。而所能獲得實質效益為下列災損事項的減免：設置土石流警戒設施(接觸式或非接觸式)、各項防治工程的支出、歷次颱風前人員的撤離及安置、農作物及建築物的災損、橋樑及道路的破壞、政府及民間投入勘災、救災及重建、復建的費用等(不含人員的傷亡)，少則以數千萬元計算，多則以數億元來計算。因此，本工法所得之益本比(B/C)絕對遠大於1。

又本工法所使用的鋼樁深度可達100公尺，足以應付淺層(0-3公尺)、中淺層(3-10公尺)、中深層(10-30公尺)，甚至深層(30-50公尺)之土石滑動。另在進行土石流整治工程之前應辦理必要之地質調查，調查規劃之內容可依據「地質法」子法「地質敏感區基地地質調查及地質安全評估作業準則第二十六條」相關規定。但為辦理「分階式鋼管排樁」之設計作業，應另針對坡面堆積土石，適度增加鑽孔數量及鑽探深度，以了解堆積土石之厚度、組成材料、粒徑大小、比例等資料，進而計算土壤側向土壓力、所需鋼管之管徑及長度。為完整取得堆積土石(不安定層)及其下方安定層的地質資料，作者建議除傳統式的鑽探取樣外，應同時採用一如「分階式鋼管排樁」的施工方式，將「大口徑鋼管(0.8-3.0公尺)」以搖管器壓入土層內，同時抓出管內土石材料，現場紀錄(拍照、錄影)、量測及判讀土石之組成材料、粒徑大小、比例等資料，必要時吊放坑內攝影機，以查看管內的土質狀態、地下水位、基岩的位態(走向及傾向)。

由於土石流及地滑區均屬高風險的施工區域，無論進行鑽探取樣、分階式鋼管排樁或其他整治工程之施作，施工人員之安全維護是不容忽視的。除應於現場安全地點設置全天候監視及警示設備供相關人員遠距監看，以及派遣警戒人員施工期間全程監看上邊坡的土石狀態外，作者亦提出二種可以就近保護施工人員之安全措施（如圖2所示）：

1、避難鋼管：置放於鄰近施工人員的位置，口徑大小須能讓現場施工人員全數快速鑽入為前提，鋼管長度必須延伸至上邊坡土石滑動後可能掩埋區之外的安全位置。

2、避難球：設計一種中空的圓形球體，以容納二～三人為原則，同樣設於鄰近施工人員的位置。萬一上邊坡的土石大量滑動時，人員迅速進入球體，由於圓球滾動速度要比土石滑動或移動速度快得多，因此，圓球會在很短時間內向下滾到安全的地方，在球內的避難人員即有充裕的時間逃生。即便是圓球不幸遭到掩埋，由於球形結構可提供較佳的抗壓性，可保護球內的避難人員免於傷亡。

1.陳信雄(2003)。水土保持工程學，科技圖書。
2.洪楚寶(2009)。水土保持，科技圖書。
3.詹錢登(2000)。土石流概論，科技圖書。
4.李光敦(2005)。水文學，五南圖書。
5.水土保持手冊-工程篇(1991)，台灣省水土保持局。
6.黃源義(2012)。水土保持工程授課講義，台北科技大學土木工程學系。
7.吳仁明(2007)。礫石坡面土石流發生機制之探討，中興大學水土保持研究所博士論文。
8.連惠邦(1996)。溪床堆積土體崩壞模式及其土石流化之研究，中華水土保持學報，27(3)，PP 175-183。
9.薛祖淇(2001)。溪床泥砂沖刷及其兩岸土石崩落之土石流發生模式，逢甲大學土木及水利工程研究所碩士論文。
10.鄭為仁(2009)。土石流發生模式之評析，逢甲大學水利工程與資源保育學系碩士論文。
11.蘇苗彬、陳育志(2003)。液化引致土石流啟動的關係探討，中華水土保持學報，34(4)，PP 381-388。
12.游繁結(1987)。土石流之基礎研究(I)土石流發生機制之研究，中華水土保持學報，18(2)，PP 28-48。
13.江永哲、林啟源(1991)。土石流之發生雨量特性分析，中華水土保持學報，22(2)，PP 21-37。
14.游政勳、黃宏斌(2004)。土石流發生機制模式之研究，93年農業工程學報，50(1)，PP 35-49。
15.鄭道明、陳光輝(2004)。全套管基樁施工資源組合分析，台灣公路工程，30(9)，PP 2-19。
16.紀宗吉(2012)。土石流地質敏感區，101年度地質敏感區-專業技師研習班(中部地區)課程講義，PP 81-101。
17.廖瑞堂(2012)。大規模潛在山崩的處理對策及案例，極端氣候的挑戰—大規模山崩防災研討會，PP J1-J19。
18.冀樹勇(2012)。崩塌地水文地質調查評估，極端氣候的挑戰—大規模山崩防災研討會，PP G1-G23。
19.謝正倫(2012)。大規模崩塌與次生災害境況模擬，極端氣候的挑戰—大規模山崩防災研討會，PP B1-B22。
20.尹孝元(2012)。大規模土砂災害觀測技術與警戒機制探討，極端氣候的挑戰—大規模山崩防災研討會，PP F1-F19。

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