三聯技術　第四十六期

土木安全觀測系統總論

■前言

土木安全觀測系統概念引進台灣近四

十年，早期主要以人工量測及施工期間之

安全控制為主。隨著科技進步、社會快速

發展，觀測儀器本身雖無太大之變化，但

監控目的已從傳統的靜態定時的人工量

測，逐步轉向動態即時的自動量測。也因

為有線無線通訊技術及網路系統的發展，

資料的收集傳送從定時被動的取得傳送，

擴展到全天候的主動預警，提供施工期間

或運轉中之早期預警系統功能。

本文擬就目前土木安全觀測系統的深

開挖系統、邊坡穩定、土石流監控、橋樑

結構及隧道工程五大領域來探討觀測系統

規劃目的、儀器種類、系統架構及應注意

事項，並做一簡略說明，期能對業界有所

助益。

■深開挖系統

1. 規劃目的：

傳統深開挖或小基地、淺基礎等工程

因為施工工期短，基地面積較小；且開挖

深度不深，儀器裝設主要在於了解開挖期

間對周邊道路及鄰近結構之影響。其儀器

種類及數量較少，資料之取得較無急迫

性，主要以人工量測為主，觀測頻率從每

週一次至每週二次不等。對於大區域及深

基礎的開挖，則除了上述目的之外，對於

施工本身之工作進度之掌握，施工工法安

全確認等均有較高之要求，以電子式儀器

且採自動化觀測為主，使能即時反應工地

狀況並採取適當之應變措施。

2. 儀器種類：

觀測壁體變形及應力的壁體內外傾斜

管、鋼筋計；支撐系統軸力變化之支撐應

變計；鄰近結構物安全之結構物傾斜計、

裂縫計；基地周圍及開挖區內水位及沉陷/

隆起狀況之水位觀測井、水壓計、沉陷觀

測點、中間柱隆起點(隆起桿)。至於壁體內

之土壓計及水壓計，因影響變數極多，除

特殊研究外，一般已較少裝設。大面積或

鄰近有重要結構物時，則除沉陷點外均採

電子式儀器進行自動化觀測。

3. 系統架構：深開挖自動警報系統流程圖

4. 注意事項：

人工觀測受限於成本因素，一般其觀

測頻率不高，往往無法即時反應工地現

況，且容易忽略工地開挖構築期間各項儀

器之變化過程。一般因異常變位或應力除

量測值超過管理值可能對工地本身或鄰近

結構造成影響外，變位/應力之變化速率也

是一個必須注意的研判依據。忽略變化的

The outline of civil monitoring system

三聯科技計測工程事業處 ◆江澤清

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深開挖自動警報系統流程圖

資料擷取器

控制電腦

鋼筋計

應變計

水位井

電子式水壓計

裂縫儀

電子式傾斜計

定點式傾度儀

沉陷觀測點 人工量測

過程可能導致資料研判上之錯誤，因此在

以人工定期觀測為主的工地，於非觀測期

間仍需注意工地之施工狀況及現場可能之

異常現象 (如：連續壁滲水、壁體與周圍土

壤間之縫隙、支撐圍令之緊密性、鄰近結

構之異常裂紋、點井之抽水狀況….)。自動

化觀測則從密集資料之趨勢圖形可以預估

未來之變化趨勢，但最少仍需每週以人工

檢測確認儀器處於正常狀況。

深開挖工程因屬封閉工區，儀器於施

工期間遭破壞的狀況非常頻繁，除於安裝

完成後必須設立警告標誌外；工地業主亦

應要求其他協力承商要善盡維護之責，否

則儀器一旦被破壞，特別是連續壁壁體內

之儀器，要採取補救措施相當困難，施工

中不可不慎。

■邊坡穩定

1. 規劃目的：

在台灣山坡地社區的開發有過一段輝

煌的時期，不但開發案越來越多，整地挖

填工程規模也越來越大，而坡地社區發生

災變之個案亦時有所聞，造成生命財產的

損失亦趨嚴重。特別是民國八十六年溫妮

颱風豪雨引起汐止林肯大郡社區嚴重傷亡

災變後，社區安全監控才逐漸被重視。

邊坡穩定之觀測主要著重在人為之坡

地社區開發，大部分配合擋土牆之設施。

因此觀測的重點在於邊坡滑動面之安全狀

況及擋土設施之穩定性，又邊坡及擋土設

施之穩定性與土壤之含水量有密切之關

係，降雨量及土壤中之水位及水壓也需要

特別注意其變化狀況。

2. 儀器種類：

邊坡滑動觀測有監控滑動面變位之定

點式傾度儀、地滑計、裂縫計；土壤中水

位及降雨狀況之水位/水壓計和雨量計；擋

土設施部分有地錨荷重計、結構物傾斜

計、變位計、氣泡式水準儀 (擋土設施縱橫

斷面之變位)；而地震的發生也往往是邊坡

滑動造成災變的一個原因之一，裝設地震

儀除可作為啟動資料擷取器自動量測的裝

置之外；亦可連結社區廣播系統，透過語

音發出警報；或可經由網際網路將災變訊

息傳送至相關防災救災單位，以採取必要

之應變及救災措施。

邊坡穩定之觀測較常與坡地社區開發

有關，因此整體系統之觀測以自動化觀測

系統為主，若現場有異常狀況發生時，系

統可及時發出預警。當有災變狀況發生

時，短短的數分鐘甚至幾秒鐘，常是決定

民眾生與死的關鍵時間，自動預警的設置

主要也是在爭取這短短的瞬間。

3.系統架構：邊坡安全自動警報系統流程圖

三聯技術　第四十六期

土木安全觀測系統總論3

邊坡安全自動警報系統流程圖

資料擷取器

掃描器

警報系統

列表機

控制電腦

地震儀啟動裝置

數據機

遠方電腦

人工檢測

水位/水壓計

地錨荷重計

裂縫計

結構物傾斜計

變位計

氣泡式水準儀

地滑計

雨量計

定點式傾度儀

三聯技術　第四十六期

土木安全觀測系統總論4

4. 注意事項：

邊坡穩定之觀測對於觀測點位之選擇

非常重要，特別是對於可能滑動面之判斷

必須要相當精確，如此才可以在第一時間

由定點式傾度儀(滑動面變位)或地滑計(地

表裂縫)之變化狀況來做緊急且適當之處

理。地錨之深度設計也是一個重點，地錨荷

重計在此也扮演一個非常重要的角色，當地

錨荷重計應力發生變化時，往往也是地錨鬆

脫或緊張 (坡面滑動)的徵兆，不可不慎。

坡地社區之邊坡穩定自動預警系統除

結合社區廣播系統之外，尚可納入專家系

統，使能於災變發生時，相關人員有一套

可依循之救災反應程序。

■土石流

1. 規劃目的：

土石流危險區是指溪床坡度15˚以上，

其上游集水區面積在10公頃以上，且下游

有聚落、重要公共設施、名勝、古蹟等須

保護之重要對象經主管機關認定有必要劃

定者。

土石流之『三多』要件：雨水夠多、

土石夠多、坡度夠多 (大)，因此監控重點也

是以這三多為標的。

土石流之觀測一般比較著重於大範圍

滑動，其破壞規模較邊坡滑動激烈許多，

造成的損害也較嚴重。土石流之發生通常

均伴隨豪雨出現，傳統方式即是以降雨量

多寡(土石流觀測系統一般是以150至200公

釐的降雨量為警界線)，來判斷是否發生土

石流，但依行政院九二一震災災後重建推

動委員會的資料顯示，推動土石流監控預

警系統逾廿年的日本，至今預警準確度約

僅百分之廿；農委會委託成功大學防災中

心設立的十八座監測站準確率，已從百分

之廿提高到卅，顯見土石流監控預警系統

之準確度並不高，但在無線通訊及影像技

術普遍化之後，且此兩種技術廣泛被引用

於土石流觀測，除傳統應力/應變資料傳輸

研判之外，再加上聲音及影像傳輸並透過

Internet 即時監控，預測準確度必然可以顯

著提高。

2. 儀器種類：

土石流發生之源頭較多在人煙稀少的

溪流上游，因此儀器的選擇以大尺度監控

為主；又因範圍廣泛，電源取得及配線不

易之關係，通常會搭配太陽能電源及蓄電

池設施，訊號傳遞以無線傳送為主。

儀器種類有監控地表變位之地滑計/傾

斜計；雨量/水位/水壓計；岩石落盤等監

控之聲響(地音)計、鋼索檢知器及落石計；

數位攝影搭配探照燈，則可透過鏡頭實際

觀看現地狀況。

地震儀也是規劃的重點，90年侵台的

桃芝颱風降雨量雖不及86年的賀伯颱風，

卻造成更嚴重的災情，九二一重建會指

出，依據日本關東大地震後對震災後土石

流及雨量關係的長期監測統計發現，大地

震前後，同一地區發生土石流的雨量大約

減少一半。也就是說原當日降雨量四百公

釐才會出現的土石流，大地震後二百公釐

就引發相同規模的土石流。比較九二一地

震前後的賀伯與桃芝颱風與土石流的關

係，也得到相同的印證。

在大範圍之土石流觀測上，對於觀測

點之選擇特別重要，前述的監控準確度不

到30%，即在於可能發生之處所不易於事前

判定。因為土石流的發生與土壤的飽和度

有密切關係，目前的技術發展已可以先用

儀器掃瞄大面積之土壤飽和狀況，再根據

掃瞄結果選定觀測點位，其準確度可以相

對提高。

3. 系統架構：土石流自動監控系統流程圖

4. 注意事項：

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土木安全觀測系統總論5

土石流觀測儀器之安裝除前述的點位

選擇關係到系統成功與否之外，各儀器間

觀測所得之數據相互確認也是一個關鍵，

主要是因為儀器大多裝設於偏遠地區，現

地條件狀況不佳，儀器發生異常的可能性

也相對增高，誤動作或假訊息都可能造成

誤判。

土石流自動預警系統之設置尚有一重

點，即資料之收集和傳送方式，土石流的

發生對週遭環境的破壞力既猛且烈，現地

儀器及傳輸設備可能在瞬間即喪失其功

能，因此規劃時必須將備援系統的概念列

入，不同點位或功能互異的儀器彼此間可

以達到相互確認的目的，縱然個別儀器受

損，亦可從「倖存」的其他儀器取得必要資

料，而資料擷取器本身亦具備足夠之儲存記

憶體，若當傳送通訊線路受損時，仍能持續

記錄儀器資料。電源除可能之AC電源外，

太陽能電源、不斷電系統及適當電力之蓄電

池都必須納入考量，至於通訊傳輸系統也應

該有二種以上，傳統可佈線處，以訊號電纜

及數據機為主，另外GSM、無線電傳送或

衛星傳送均是備援方案。

■橋樑結構

1. 規劃目的：

在橋樑結構的觀測中通常有兩種狀

況，一種是新建橋樑的系統建置，另一種

則是現有橋樑的自動預警系統設立。前者

除了做為施工期間之安全控制外，亦可建

立橋樑通車前之基本資料(初始狀況)收集，

以為日後進行橋樑檢查之比較參考依據。

現有橋樑預警系統之設立則在於有安全顧

慮之橋樑上裝設觀測預警系統。當橋樑受

外力作用發生異常狀況時，能在第一時間

發出警報，以維人車安全。通常預警系統

除了警報器外，亦可與交控系統連結，在

橋兩端設立警示看板，依橋樑損壞狀況顯

示速限或禁止通行之警告。

橋樑工程分類上有多種形式：一為混

凝土橋可分為鋼筋混凝土橋 (Reinforced

Concrete Bridges)及預力混凝土橋 (Pre-

土石流自動監控系統流程圖

資料擷取器

電源

地滑計

聲響計

鋼索檢知計

電子式傾斜計

落石計

水位計

電子式水壓計

雨量計

數位攝影

地震儀

控制電腦

遠方控制電腦

無線

有線

三聯技術　第四十六期

土木安全觀測系統總論6

stressed Concrete Bridges)；另一種為鋼

橋，可分為鋼架橋 (Steel Truss Bridges)、

鋼 拱 橋 (Steel Arch Bridges)及 吊 橋

(Suspension Bridges)，橋樑的施工也因現

地考量而有多種工法，因此觀測儀器的規

劃必須與橋樑設計單位密切配合，才能發

揮其應有之功能。

2. 儀器種類：

新建橋樑時部份應力/應變儀器可配合

施工進度預先裝設於結構體內(如混凝土或

鋼結構)，此類儀器主要有混凝土應變計、

鋼材應變計，預力鋼腱應力(變)計、鋼筋

計、伸縮縫變位計、溫度計、傾斜計、風

向風速計等，另外亦可進行橋樑振動測試

(卡車跳台式或起振機式)，以了解橋樑通車

前之自然 (背景) 振動頻率，以為日後橋樑

安全評估時之判斷參考依據。

現有橋樑之儀器設置則以沉陷及傾斜

為主要觀測重點，觀測位置以橋墩和橋面

為主，儀器種類則有雙軸向定點式傾斜

計、連通管式沉陷計、伸縮縫變位計等，

必要時得配合做目視檢查。

3. 系統架構：橋樑長期監測系統流程圖

4. 注意事項：

新建橋樑在有橋塔結構時屬高空作

業，儀器安裝除需確認牢固外 (抗強風及地

震力)，施工人員安全亦應特別注意。且因

維修不易，在儀器的選擇上必須是穩定性

佳，受惡劣環境因素影響小者。而在預警

系統之建置亦有相同之要求，且必須定期

維護，以確保儀器功能正常，避免儀器亦

常誤發警報。

■隧道工程

1. 規劃目的：

隧道以其施工方式，可以分成三類：

岩石隧道 (Rock Tunnels)、土質隧道 (Soil

Tunnels)及沉埋管隧道 (Immersible Tube

Tunnels)。

岩石隧道主要以爆破法為主要開挖方

式，其主要的監控點在於隧道洞口及開挖

後初期隧道之收斂狀況及岩盤之穩定性。

土質隧道則以潛盾施工法為主，因其對隧

道上方結構具有較小之沉陷量極低噪音之

優點，因此在都市土木工程中廣為應用，

但潛盾施工使用之潛盾機必須隨隧道斷面

之大小及其形狀而設計製造，其所需費用

往往較其他工法為高。土質隧道之監控重

點在於出發工作井、到達工作井、隧道上

方之地面及結構沉陷、隧道襯砌環片施工

橋樑長期監測系統流程圖

資料擷取器

掃描器

警報系統

列表機

控制電腦

定點式傾斜計

連通管沉陷計

溫度計

水位/水壓計

變位計

雨量計

遠方電腦

數據機

地震儀啟動裝置

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土木安全觀測系統總論7

後之收斂狀況。另外，為了解日後通車後，隧道斷面長期的變化趨勢，或可能因鄰近開發可能

影響隧道安全時，亦應設置全斷面收歛及變位觀測之儀器，以適時評估隧道之安全。

2. 儀器種類：

岩石隧道在洞口處之儀器裝設如同邊坡穩定來考量，隧道內儀器主要有量測岩盤變位之伸

縮儀 (頂拱/側壁)、計測岩栓，了解隧道面應力變化之徑向應力計及切向應力計、埋設於噴凝

土內外兩側之應變計，觀測隧道收斂狀況之收斂觀測點。土質隧道出發及到達工作井儀器裝設

則如深開挖配置方式，隧道內部主要以收斂觀測點為主，隧道上方土壤或結構物則可裝設，伸

縮儀、淺式沉陷點、管線沉陷點、土中傾斜管，結構部分則以結構物傾斜計為主。通車期間之

全斷面收歛(變位)狀況，可以Sinco之“貝斯特自動量測系統”(Bassett Convergence System)

來執行。

3. 系統架構：隧道工程自動警報系統流程圖

4. 注意事項：

隧道工程自動警報系統流程圖

資料擷取器

控制電腦

人工量測

應　變　計

伸　縮　儀

應　力　計

徑向應力計

切向應力計

計測岩栓

收斂觀測點

隧道儀器之安裝首重施工期間之保護，特別是在岩石隧道採用開炸工法時，往往因為開炸影

響而致儀器損壞，噴凝土施工時亦應注意儀器之防護。隧道於地層中開挖時，其開挖完成之洞

頂，依Terzaghi理論，將形成行程一地拱 (Ground Arch)而自行穩定；因此整個觀測重點在於開

挖初期，良好的觀測系統配置、安裝及觀測將可提供早期預警，使施工過程中能適時應變。

■結論

有一位教授，在上課時拿了一瓶液體，告訴學生說：請您們跟著我的動作來做。他把手指

放入瓶中沾滿液體，然後放入口中，接著請學生一一上台照著做，結果每一位學生都哇哇大

叫，原來裡面放著濃度極高的醋酸。這時教授慢調斯理的說：我要您們照著做，但我是食指放

入瓶中，中指放入口中，您們卻是食指放入瓶中，同樣把食指放入口中，做學問不能只看表

象，不能不注意每一個細節。

土木安全觀測系統的概念也是如此，儀器規劃、安裝，甚至最後的資料分析評估，看似容

易；但其中細節若不深究，量測所得之資料可能就會失之毫釐差以千里，甚至造成重大之生命

財產損失。上述的各系統流程只是個概述，現地實務仍須根據工地特性加以適當調整與取捨，

透過有經驗的工程師或專家的諮詢建議是必需的。