南科高鐵減振工程探討

1. 南科高鐵減振工程探討 Presented by 林宏容 Ph.D. 公共論壇 北美洲台灣人教授協會南加分會 12月8日2007年

2. 大綱 • 南科高鐵減振案的前因背景與現况 • 微振問題探討 • 南科高鐵減振工程探討 • 減振效能驗證量測 • 討論與結論

3. 台灣高速鐵路 康寧廠房(P259) 台積電(P276) 南科園區示意圖 西拉雅大道(P312) 聯電(P340) 南科一路(P349) 1996.01 南科動土開發 1999.00 高鐵破土動工.產生振動爭議 高鐵貫穿南科園區右側南北5公里 高鐵車速每小時300公里

4. 台灣高鐵列車 • 南科園區原屬台糖蔗園 • 地質大都為沉泥質粘土 • 高鐵採高架橋方式 • 基礎採用樁基礎設計

5. 南科台灣高鐵「基本設計」上部結構標準剖面與支點位置南科台灣高鐵「基本設計」上部結構標準剖面與支點位置 摘自國家地震工程研究中心 「高鐵行經南科引致振動問題之減振可能方案評估」March, 2001, Page 3-12

6. Pier Column Ground Surface 南科台灣高鐵「基本設計」下部結構示意圖 1.8m CISS piles f Pier Column

7. 南科高鐵減振案是國民黨政府遺留的重大錯誤 • 國科會根據高鐵籌備處在1994年11月所提的「高鐵環境影響評估報告」中提出：「高鐵車速每小時300公里時，距高鐵中心35公尺處振動為30分貝」，才選定南科地點並進行招商，廠商也才大膽投資，現在振動標準與高精密度晶圓廠所需相差太多，才會導致廠商出走。 • 國科會邀集新竹科學園區業者及學者專家組成「科學園區環境標準規範推動小組」，並在1997年9月確定南科振動標準為「距高鐵中心線200公尺處為36分貝」，到了1998年8月，再決議以竹科實際測量振動值為標準，但隔年2月台灣高鐵公司以「無法達到」為理由推翻決議。 • 1999年6月，雙方同意改以南科振動背景值做為標準，經過實測為48分貝，但高鐵公司仍表示無法做到而不願接受，國科會也堅持不能退讓，最後決定交由跨部會小組及由中央研究院院長李遠哲、前交通部長林豐正等人組成的「台灣南北高速鐵路協調委員會」進行協商。 • 協調委員會在1999年7月達成結論，高頻部分以距高鐵中心線200公尺處45.8分貝做為振動標準，低頻部分「暫訂」以68分貝為標準及發包依據，但各相關單位應在八個月內研究有無更好的方法以進一步減振，到了2000年3月，高鐵公司同意在高鐵結構本體上部結構採支承墊，約可減振3分貝，但仍達不到國科會要求的標準，此後就陷入僵局。 摘自”南科一夢：高鐵振動難題“，2001-04-30/聯合報/4版/政治

8. 舉世首見的工程問題 • 全世界半導體精密工廠的設廠絕大多數皆遠離高速鐵路通行路線 • 但有一真實案例可供國內參考，此例是日本ROHM濱松株式會社，這是一家生產Monothlic IC，CPU System LSI及Memory Inbeded LSI等產品的公司，其有一工廠位在東海道新幹線附近， • 工址的土壤性質為礫層，遠異於南科園區達百公尺深的沖積地層 • 該區東海道新幹線採用土堤型式，也非南科高鐵的高架橋結構係統 • 若南科高鐵改採土堤型式﹕ • 須外購土方133萬立方，單填土工期樂觀估計就需2.5年，若土方來源無法克服，則工期無法確定。 • 有壓密沉陷之問題，估計新構築之土堤長期沉陷量約達1.0公尺，遠非高鐵所能容忍。 摘自國家地震工程研究中心 「高鐵行經南科引致振動問題之減振可能方案評估」March, 2001, Pages4-1~4-4

9. 列車 列車 計測點 N > 50 剛基盤 日本東海道新幹線土堤段的振動量測 摘自Takemiya et al. 1999

10. 南科高鐵土堤減振方案不可行﹕費時及地層沉陷南科高鐵土堤減振方案不可行﹕費時及地層沉陷 高鐵 南科高鐵土堤斷面示意圖 （中華工程顧問公司提供） • 須填土133萬立方，單填土工期樂觀估計就需2.5年 • 壓密沉陷問題嚴重，估計新構築之土堤長期沉陷量約達1.0 M

11. 高鐵公司拒絕橋墩跨距縮短為6米之建議 • 國家地震工程研究中心(NCREE)林聰悟、陳正興、李洋傑於2000年2月發表「高鐵行經南科園區振動研究—高架橋基礎與連續基礎之減振效果評估」，報告中指出連續基礎其減振效能較之獨立基礎（樁基礎或沉箱基礎）確實比較有效。 • 2000年10月，國科會聽說高鐵將由歐規改為日規，擔心振動問題更嚴重，開始研究減振方案，2001年2月華邦電子以振動過高為由宣布撤離南科，引起震撼，國科會隨即正式提出將橋墩跨距由30公尺縮短為6公尺的建議。 • 高鐵南科段橋墩若縮跨距成本增720億在國科會強力主導下，南科減振措施朝縮短高鐵橋墩跨距方向研議，不過，根據台灣高鐵公司去年所做評估，高鐵橋墩跨距如果從目前的30米縮短為6米，包括工程經費、停工損失、營運延宕等所增加成本高達720億元，原訂2005年10月通車的時間表，也將延後14個月。(取自營建新聞2/26/2001http://www.arch.net.tw/newarch/news/9004a.htm)

12. 600CMC120CM RC 墩柱 150CMf RC 基樁 樁長L=55M 結構立面圖 150CMf RC 基樁 樁長L=55M 結構斷面圖 結構基礎平面圖 南科台灣高鐵6M跨徑橋梁配置示意圖 南科高鐵6M跨徑橋梁方案其實是採用連續基礎 摘自國家地震工程研究中心 「高鐵行經南科引致振動問題之減振可能方案評估」March, 2001, Page3-18

13. 廠房區位調整方案之評估不可行﹕代價太高及損失商譽與市場佔有率廠房區位調整方案之評估不可行﹕代價太高及損失商譽與市場佔有率 距高鐵中心線200至550公尺間對振動敏感廠商在2001年3月時之狀況 摘自國家地震工程研究中心 「高鐵行經南科引致振動問題之減振可能方案評估」March, 2001, Pages9-1~9-2

14. 「南科設站」方案 • 只要高鐵在南科所在地的台南縣新化設站，每班列車經過此地都必須停車，高鐵產生的低頻振動自然迎刃而解。 • 至於有人質疑南科設站，列車剎車及啟動也可能引起振動，蘇煥智指出，這類振動屬「高頻振動」，本質上較列車高速行駛產生的低頻振動容易控制。 摘自”南科一夢：高鐵振動難題“，2001-05-01/經濟日報/4版/綜合新聞 但是 • 高鐵在南科設站難如願，殷琪表示已無空間， 變更地點可能延宕工期 《聯合報2002-03-06》 • 針對台南縣政府及立委強烈要求在南科加設車站，交通部表示，撇開台南在20公里內設置二個車站的效益問題不談，高鐵在極短時間內緊急加速、減速，其所產生的振動影響未必小於行經南科所產生的振動，其減振效果十分令人懷疑。【2001-05-01/經濟日報/4版/綜合新聞】

15. 2001年5月：南科風雨飄搖，全國束手無策

16. 民進黨新政府尋求解決方法 • 2001.03.07國科會翁政義主委辭職 • 2001.04.00臺積電正式發函國科會要求解決南科振動問題 • 2001.05.08行政院秘書長邱義仁與政務委員蔡清彥召開減振部會協商會議 • 2001.05.18國科會謝清志副主委奉命成立減振專案小組 • 2001.05.19國科會薛香川副主委辭職 • 2002.10.04上網公告招標 • 2002.12.08永峻及鴻華入圍複試 • 2003.11.14公告得標廠商鴻華公司之複合式工法 • 2005.05.17南科完成減振工程部分細部設計審查及施工前置作業 資料來源﹕行政院國科會「南科高鐵減振紀事」2006年5月8日

17. 南科高鐵減振工程現况 • 全部工程已於2006年8月31日完工，景觀復原預定2006年10月底完成。 • 配合高鐵試車、自2006年底開始量測，數百筆量測所獲數據、經分析顯示振動已被抑制到接近背景值、完全符合合約要求。

18. 南科是台灣高科技產業的鑽石 • 南科今年營業額 將破五千億 2007-11-23中華日報 • 南科2007年至10月底, 營業額為4429億元 ,至年底預估為5500億元

19. 2007年元月高鐵通車以後

20. 每12分鐘就有一班高鐵列車以300公里時速駛穿南科園區任務完成了，檢察官卻說減振工程是多餘的每12分鐘就有一班高鐵列車以300公里時速駛穿南科園區任務完成了，檢察官卻說減振工程是多餘的 減振施作完成後只能看到減振連接器的維修人孔

21. 大綱 • 南科高鐵減振案的前因背景與現况 • 微振問題探討 • 南科高鐵減振工程探討 • 減振效能驗證量測 • 討論與結論

22. 未擾動介質 壓縮 (a)縱波 膨脹 (b)剪力波 振幅 波長 (c)拉夫波 (d)雷利波 半無限彈性空間內之波傳運動示意圖(Bolt, 1978) Compression Wave or P-wave Shear Wave Surface Wave: Love Wave Surface Wave: Rayleigh Wave

23. 打樁引起的振波形式(Richart, 1997)

24. 三種影響晶園廠房的波傳方式 台灣高速鐵路 高科技晶園廠房 列車引起的振動 沿樁身往下傳遞 1. 振波經軟質土層傳遞 軟質地層 2. 振波經岩質承載層傳遞 3.振波經廠房樁基傳遞 高鐵列車行駛引致的振波經軌道下之樁基傳遞至廠房造成振動示意圖 （摘自游以民「減振基樁與樁周土壤之振波傳遞行為」碩士論文，中央大學，2005年6月）

25. 48分貝的由來 • 美國的科學家Colin G. Gordon於1991在國際光學工程學會年會發表一篇論文探討對振動敏感的設備之一般準則（Generic criteria for vibration-sensitive Equipment），文內所建議的各類敏感設備平台之容許振動標準已成為今日國際半導體廠建廠設計中的振動標準之主要依據。Gordon採1/3 倍音頻頻帶（one-third octave band）表示法，以分貝（decibel, 簡寫 dB）為單位來表示各音頻帶之中央頻率所對應的振動量，其計算式為一以十為基的Log函數﹕ 式中Vm為測點量測所得的振波速度（in/sec）。Vref為振波參考速度（in/sec），其值為10-6in/sec，亦即每秒 1 m-in。

26. 容許振動量之一般規範（Gordon，1991）

27. 背景振動量的考量 • 高科技廠選址時之振動評估基準，應考慮基址之背景振動量（地盤微振動量），也就是說振動量測值應包含列車振動（dBtrain）與背景值振動（dBamb），其關係式如下﹕ • 由此公式可知，欲達48分貝振動標準的先決條件是其背景值振動量必須低於48分貝，否則縱使高鐵沒經過園區，南科高精密製造廠房之樓板振動量還是會高於48分貝的設計需求。

28. 台灣高速鐵路 高科技晶園廠房 列車引起的振動 沿樁身往下傳遞 振波經軟質土層傳遞 軟質地層 振波經岩質承載層傳遞 振波經廠房樁基傳遞 南科高鐵減振工程策略可分成下列三種 • 上策﹕減低振源振動量 • 中策﹕在振動傳播途徑的地盤內阻隔振動之傳播 • 下策﹕在廠房附近的地盤內阻隔振動之傳播

29. 大綱 • 南科高鐵減振案的前因背景與現况 • 微振問題探討 • 南科高鐵減振工程探討 • 減振效能驗證量測 • 討論與結論

30. 國際標投標廠商工法探討 • 永峻工程顧問股份有限公司* (18.5億) • 林同棪工程顧問股份有限公司(2~3億顧問費，如含工程費用則近70億) • 舜麒營造有限公司(97.6億) • 岩水開發株式會社(33.7億) • 鴻華聯合科技股份有限公司* (96億) *為其邀標書中之規劃工法附有分析與模擬結果 • 2002.12.08永峻及鴻華入圍複試 • 2003.11.14公告得標廠商鴻華公司之複合式工法(以80.5億得標) 資料來源﹕行政院國科會「高鐵試車行經南科減振量測結果說明會簡報」2006年5月8日

31. 永峻工程顧問股份有限公司 資料來源﹕行政院國科會「高鐵試車行經南科減振量測結果說明會簡報」2006年5月8日

32. 永峻所提的方案之批判 • 是一種傳統地震工程學的抗震工法之應用，它在震動傳播途徑的地盤內挖掘溝槽並回填軟質材料以阻隔振動波之傳播，這種工法通常用在建築物四週以防止遭受地震波的損壞。 • 永峻的方案是在距高鐵橋墩15~30公尺遠處挖一條與之平行、深50公尺、寬0.6公尺、長5公里無防護牆的溝槽，並填以許多膜包皂土球來穩定溝槽邊坡。與其它溝槽式工法一樣，這種工法最主要的限制在於其不能挖得太深，試想一個50公尺深的溝槽對不遠處的高鐵橋墩而言，猶如處在一片懸崖峭壁上，會產生邊坡穩定的問題，直接影響高鐵橋墩的安全。 • 永峻的方案因其溝槽雖然填以許多膜包皂土球來穩定邊坡，但因園區地下水位為5~10公尺，一個長達5公里無防護牆的溝槽很有可能會在地震時引起土壤液化而影響高鐵橋墩的安全。 • 在深度受限情況下，溝槽僅能隔絕波長較短或頻率較高之振波，因此對屬低頻率振動(3~6Hz)的南科高鐵而言，此工法的減振效果其實非常有限。故說永峻的工法頂多能阻隔上述第一種途徑傳遞的振波，故它是屬介於下、中策之工法。

33. 林同棪工程顧問股份有限公司 資料來源﹕行政院國科會「高鐵試車行經南科減振量測結果說明會簡報」2006年5月8日

34. 林同棪工程顧問股份有限公司 資料來源﹕行政院國科會「高鐵試車行經南科減振量測結果說明會簡報」2006年5月8日

35. 林同棪所提的方案之批判 • 林同棪工程顧問股份有限公司是以興建橋梁聞名於世，其創辦人林同棪是前柏克萊加大土木系主任、美國總統國家工程獎章得主，他被尊稱為世界預力混凝土之父。 • 該公司提出解決方案為沿高鐵橋梁兩側距離15公尺處，各興建一座與高鐵橋梁結構相同之公路橋梁，長約5.8公里，此稱為制振橋，費用約55~60億。另外於高鐵橋梁每一墩柱兩側，各安裝一組質量15噸振動頻率與高鐵橋梁結構自然頻率相同之倒型鐘擺結構物，這個減振設施費用約2~3億。 • 總工程費用將達70億，且將用掉很多園區土地。 • 他們是想將中間高鐵產生振動波由兩側的制振橋產生的反射波來相互牴消(Phase Out)而達到減振的效果，這是一個很新潁、很大膽的方案。台灣高鐵公司對其在每一墩橋柱兩側安裝的減振設施有安全疑慮，另外可能是因為無文獻資料可循及模擬（Prototype）實驗測試之不易，而未能入圍決賽。

36. 岩水開發株式會社 資料來源﹕行政院國科會「高鐵試車行經南科減振量測結果說明會簡報」2006年5月8日

37. 岩水開發株式會社 資料來源﹕行政院國科會「高鐵試車行經南科減振量測結果說明會簡報」2006年5月8日

38. 日本岩水開發所提的方案之批判 • 此方案為一蜂窩式阻波塊工法(Honeycomb Wave Impeding Block)，此工法的研究報告幾乎都是出自日本學者，據Takemiya（2004）之研究報告，在欲減振之區域內於適當的深度埋設蜂窩式阻波塊，對於力有良好的平衡效果，此工法可視震波通過柱狀結構後的波長來決定蜂窩柱大小之尺寸，以達減振之優化效果。另外，依竹宮宏和（1996）的研究報告，此工法對低頻震動有明顯減效果，適用於交通振動與低頻振動機械等之振動防治。 • 高鐵行經南科所產生之頻率為3~6Hz，屬於低振動頻率，因此蜂窩式阻波塊工法對高鐵行經高架橋所產生之振動應有減振效果。 • 此工法之成效會受埋設蜂窩式阻波塊的深度、位置、方向等因素影響，對南科高鐵減振如此大的工程恐很難找出最佳因素組合。 • 此工法頂多能阻隔上述第一種途徑傳遞的振波，故它是屬介於下、中策之工法。因沒有作土壤與結構互動分析及模擬減振結果而沒獲選進入決賽。

39. 鴻華聯合科技股份有限公司基礎加勁構造減振機制 資料來源﹕行政院國科會「高鐵試車行經南科減振量測結果說明會簡報」2006年5月8日

40. 基礎加勁構造施工過程-A 基礎加勁主體構造鋼筋組立(一) 基礎加勁主體構造完成(二) 資料來源﹕鴻華聯科公司「減振工法及施工過程簡報」2006年5月4日

41. 基礎加勁構造施工過程-B 減振連接器安裝 減振連接器安裝位置放樣 資料來源﹕鴻華聯科公司「減振工法及施工過程簡報」2006年5月4日

42. 基礎加勁構造施工過程-C 減振連接器全貌及構造詳圖 基礎加勁構造完成復原(維修人孔) 資料來源﹕鴻華聯科公司「減振工法及施工過程簡報」2006年5月4日

43. 鴻華複合式工法的基礎加勁構造減振機制之批判鴻華複合式工法的基礎加勁構造減振機制之批判 • 基礎加勁構造減振機制，在橋墩下方加以基礎加勁，以減振連接器將加勁構造與高鐵樁基礎之橋墩基礎連接起來，這種基礎加勁工法具有下列四個特點﹕ • 以基礎加勁構造降低振動源之振幅 • 改變振動頻譜 • 將點振源變成線振源，亦即將獨立樁基礎變成連續基礎 • 減少透過基樁底部之深層波傳而改變成淺層傳播 • 減振連接器具有阻尼器（Damper)的功能，它在大地震引起橋墩大位移時會脫落與橋墩分離，而不會影響高鐵安全，這是鴻華的一項專利。 • 基礎加勁工法是一種上策工法，因它能阻止大多數振波沿著基樁往下傳播 ，這不但是一個很有創見的發明，而且可能是唯一能解決南科高鐵減振問題的方案。

44. 鴻華聯合科技股份有限公司彈性減振牆 • 地下連續壁工程 • 深槽溝挖掘 • 鋼筋籠放置 • 混凝土澆灌 • 彈性減振材工程 • 特殊橡膠材料 • 塊狀結構 資料來源﹕鴻華聯科公司「減振工法及施工過程簡報」2006年5月4日

45. 彈性減振牆施工過程-A 連續壁導溝澆置 連續壁鋼筋籠吊放 資料來源﹕鴻華聯科公司「減振工法及施工過程簡報」2006年5月4日

46. 彈性減振牆施工過程-B 連續壁混凝土澆灌 彈性減振材壕溝挖掘 資料來源﹕鴻華聯科公司「減振工法及施工過程簡報」2006年5月4日

47. 彈性減振牆施工過程-C 塊狀彈性減振材 彈性減振材吊放 資料來源﹕鴻華聯科公司「減振工法及施工過程簡報」2006年5月4日

48. 彈性減振牆施工過程-D 彈性減振材保護蓋版施工 彈性減振材保護蓋版完工 資料來源﹕鴻華聯科公司「減振工法及施工過程簡報」2006年5月4日

49. 鴻華複合式工法的彈性減振牆之批判 • 這是一種複合式隔振壁工法， 它是在距高鐵橋墩15~30公尺遠處建築一條與之平行、深45公尺、寬1.2公尺、長5公里的地下鋼筋混凝土連續壁，然後在連續壁面向高鐵之側放置一片深15公尺、寬0.45公尺、長5公里的彈性減振牆，此彈性減振牆是由很多塊特殊橡膠材料的塊狀結構組成。 • 它與永峻溝槽式工法一樣，只能隔絕波長較短或頻率較高之振波，因此對屬低頻率振動的南科高鐵而言，此工法的減振效果其實非常有限。但是它不會產生邊坡穩定的問題，所以不會影響高鐵橋墩的安全。 • 這是一個與基礎加勁構造減振機制相互配套的方案，先以基礎加勁構造減振機制將將點振源變成線振源，因而降低振動源的振幅，減少透過基樁底部之深層波傳播而改變成淺層傳播。然後再以彈性減振牆減振機制來阻絕淺層之波傳，減少振動，以達充分減振的效果。

50. 鴻華複合式減振工法減振電腦效能分析結果 減振設施完工後減 減振後3Hz 20ton 水平縱向簡諧力對 地表之等振圖 素地(未設置減振設施) 減振前3Hz 20ton 水平縱向簡諧力對地表 之等振圖 資料來源﹕鴻華聯科公司「減振工法及施工過程簡報」2006年5月4日