轉載：台灣高鐵南科段減振工程探討

南科高鐵減振工程探討 （轉載自台美航太協會）

5/25/2006

自1999年初台灣高鐵破土動工以來，南科高鐵振動爭議就一直困擾著台灣高科技界，這困擾本應隨著減震工程即將完工而落幕，然而由於去年底台聯立委廖本煙揭發此減振工程之弊案疑雲，導致台南地檢署於今年4月24日搜索國科會等機關，並將負責這項工程的國科會副主委謝清志限制出境，而使南科高鐵減振工程再度登上媒體主要板面，該案情之發展備受朝野注目。本文嘗試以海外台灣專業人士的觀點，對此工程之背景、難度、工法、以及決策等作深度的探討，期能幫助國人對此工程有更清楚的了解。





舉世首見的工程問題



南科於1996年1月動土開發，以IC晶片及生物科技為主要工業。當時國民黨執政時期的國科會事前對台灣高鐵路線調查未瑧完善，致使高鐵南北5公里貫穿南科園區右側，種下南科設廠因高鐵通過而面臨產能受損之遠因。為解除廠商之虞，國科會於1997年12月2日提出高鐵行經南科園區之振動至少做到竹科園區之一般標準，並於1998年7月23日將此意見納入高速鐵路興建合約中，國科會更於1998年8月24日成立科學園區振動標準訂定指導小組及工作小組。然而真正的惡夢開始於1999年初高鐵破土動工後，經由中鼎工程公司進行土質測量後才發現，南科園區的這塊台糖地質是軟的，不像竹科地質是岩石區，軟質地層產生的振動遠大於岩質地層，這也不是高鐵自己能力可以解決的，於是產生南科高鐵振動爭議。



為解決爭議，2000年3月23日國科會、交通部以及高鐵局各提出減振方案，2000年3月31日高鐵公司同意於高鐵上部結構採支承墊來減振。然而減振的程度並不為晶圓大廠所接受，相繼聲明威脅要撤資南科，臺積電更於2001年4月正式行文國科會要求盡速解決南科振動問題。國科會遂於2001年5月18日任命有土木工程專業知識背景的副主委謝清志成立減振專案小組，而後責成南科議價減振工程公開招標。國科會經與本計畫專案管理顧問財團法人中華顧問工程公司在歷經多次開會研議後，決定將本案分為兩個標案依次辦理：第一標案為「減振工法規劃案」招標，由國內外投標廠商提送之減振工法規劃案服務建議書進行初評，最後評選出2家入圍廠商進行現場減振工法測試之複評，以遴選出最優廠商辦理減振工法之規劃案。





國科會並於2002年9月19日成立評選委員會，2002年10月4日上網公告減振招標。共有5家國內外廠商參與第一階段「減振工法規劃案」投標﹕美國的林同棪工程顧問股份有限公司(制振橋：55~60億，減振設施：2~3億)，日本的岩水開發株式會社(33.7億)，台灣的永峻工程顧問股份有限公司(18.5億)、舜麒營造有限公司(97.6億)以及鴻華聯合科技股份有限公司(96億)。其中只有永峻與鴻華兩家公司的邀標書中之規劃工法附有分析及模擬結果，因而國科會於2002年12月8日選出永峻及鴻華入圍第二階段複試。亦即由永峻與鴻華依其所提的工法作實驗來呈現減振成效，由國家地震中心建議做一支與高鐵一模一樣的橋墩，在南科園區進行實驗測試，以了解有效減振的數值。此外，亦請地震中心也進行測量，總計有4份報告，再送請專家評審，結果由鴻華取得複試勝出。





這是一個舉世首見的工程問題，也是一個大規模及高門檻的工程，全世界不會有國家將高速鐵路貫穿過以精密工業為主的科學園區，因為貫穿長度達5公里長，而園區又位在軟質土層地區內，這使問題更加棘手，要減低超過10分貝的振動，使園區廠房處減振至背景值(當時背景值為四十八分貝)之目標，這是一個史無前例的大型土木工程問題。





減振工法探討





減振工程的史無前例與困難度可從5家國內外廠商所提解決方案之南轅北轍而窺見一般。兩家國外投標廠商都是非常有名的公司，其中林同棪工程顧問股份有限公司更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。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，很可惜他們沒有作土壤與結構互動分析及模擬減振結果，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。





日本的岩水開發株式會社所提的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。很可惜他們也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。



永峻工程顧問股份有限公司所提的方案是一種古老的方法——在振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之傳播，這種工法早在三、四十年前就被使用來防止結構物遭受地震的損壞。此工法的防振效果與溝槽之寬度無關，如果溝槽之挖掘深度能達到欲阻隔振動之波的波長，則具有顯著的減振效果。不過在實際工程應用上，空溝槽對於鐵路橋梁結構物的穩定性之影響，亦是主要的考慮因素，在溝槽設置深度受限情況下，溝槽僅能隔絕波長較短或頻率較高之振波，此種結論散見於海內外諸多學術報告，台灣國家地震中心的朱聖浩與王永明兩位教授在2001年3月發表報告(高鐵行經南科引致振動問題之減振可能方案評估)亦有如此的結論，因此永峻的工法並不適用於南科高鐵減振工程。我們倒是很意外永峻可以進入決賽。





鴻華聯合科技股份有限公司所提的方案是一種複合式的工法，除了挖條溝渠外，並且在橋墩下進行基礎加勁工程。這種複合式減振工法實是含有兩個工法，其一為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(Damper)連接所有的加勁構造，連接器的作用是當高鐵通過時，所有連接器都連結在一起，但當大地震發生時，基於安全考量連接器被設計成自動鬆掉。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；減少透過基樁底部之深層波傳而改變成淺層傳播。這減振連接器以及基礎加勁工法是鴻華的發明。第二種工法則是彈性減振牆減振機制，減振牆又包含了兩部分﹕包括地下連續壁，另一部分則是彈性減振材。鴻華採用這工法之主要目的是以彈性減振牆阻絕淺層之波傳，減少振動。因深層波傳減少，減振牆之深度可減少。第二種工法基本上和永峻的工法一樣，也是一種挖掘溝槽並回填軟質材料的抗振工法，但因其採地下連續壁，故安全可靠度應較優。





台灣有些學者可能看到鴻華的工法也是一種溝槽防振工法，就說其與永峻差不多，均對南科高鐵無多大的減振效果。要知鴻華的複合式工法對南科高鐵減振效果主要是來自其第一種工法，因它能將點振源變成線振源，其實台灣國家地震中心的林聰悟、陳進興、李安杰等專家在2000年2月發表的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，他們指出﹕橋墩下若有連續相接的基礎，全部串連起來的減振效果確實比獨立結構有效。鴻華之基礎加勁部份在減振連結器鎖固後與林聰悟教授等人之報告中的連續基礎相近，故在學理上具有南科高鐵減振效果。此外以減振連接器(Damper)連接高鐵橋墩與基礎加勁結構，來避免影響既有的高鐵橋墩結構安全。鴻華所提的這種工法很有創見，也很高明，對長度很大的交通高架橋梁之減振應具有很大的國際競爭力。





減振工法規劃技術服務案評選過程謅議



南科高鐵減振工程招標過程是國科會最為外界爭議之所在，外界的質疑可總歸五點﹕得標廠商鴻華聯合科技公司沒有大型工程經驗，競標所提出的金額86億比第二名永峻工程顧問公司18.5億高出5倍，得標廠商負責人許鴻章於計畫期間擔任總統府科技顧問招集人，減振效能擔保款4.38億金額太低，以及南科沒有減振必要。



國科會的新聞稿(12/29/2004)中聲明南科園區全面減振是世界工程史上首次大規模及高門檻的減振工程，是特殊且非普遍化技術，國內外沒有相同案例，因此投標廠商資格上採開放性，鴻華聯合科技公司的資格沒有問題，雖然第二名競標金額只有18.5億，但是兩家廠商施工工法不同，第二名還有安全問題可能導致額外增加工程經費與維護費用，所以不予錄取。「南科減振」工程是一公開標案，決標由採購評選委員會決定，一切合法。減振效能擔保款4.38億是契約明定，金額合理。



由前兩節的探討，南科減振工程屬大規模及高門檻的工程且在全世界尚無相同之案例之論應無庸置疑，這種案子在美國的作法通常會有如下的過程﹕

1.招標前由主辦單位部門把欲解決的問題上網，公開向各界徵求可行方案訊息(Request for Information, RFI)，任何人或公司都可以呈上其可行方案的白皮書(White Paper)。

2.主辦單位部門依所收到的白皮書，請專家學者定出規範(Specification)，然後上網公開向各界徵求可行方案(Request For Proposal, RFP)，這是第一階段 — 可行性研究(Phase I, Feasibility Study)。

3.主辦單位部門依所收到的可行方案，請專家學者評審選出2至3家公司進入第二階段 — 細節設計或模擬測試之複評(Phase II, Detail Design or Prototype Demonstration)，進入這個階段的廠商可以得到獎金。

4.主辦單位部門依第二階段的結果選出最後優勝者進入第三階段 — 實施(Phase III, Implement)。

由上述的過程可見，國科會採用的招標方式很類似。投標廠商資格上採開放性，這是因為所要解決的問題並無現有解決之道或先例可循，就像申請專利並無申請者資格限制。通常所有創新性質的案子都是採這種方式招標，因為主辦單位部門在乎的是問題的解決之道。另外這類的標通常不會定罰款條文，因為沒有人會保證其所提的方案，這不像市場的商品有退款保證。例如幾年前美國洛克希德‧馬丁(Lockeed Martin) 集團獲得國家太空總署(NASA)新一代太空梭(X-33)的合約，價值十億美金，最後該案失敗了，NASA也沒要洛克希德‧馬丁繳回十億美金。該案子如果成功了，洛克希德‧馬丁將獲得大量的定單，失敗了主辦單位部門負責人頂多被調職或失掉工作罷了，依此，南科減振效能擔保款只有4.38億，應屬合理。。當然主辦單位如果發現事情不對，隨時可以終止合約，這也算是一種制衡。據國科會所言，鴻華與南科簽訂的合約，減振工程能真正發揮效能時，鴻華才能拿到最後的工程款，這項條文與前述的制衡類似，所以國科會並無不妥，因這符合國際常規。





國科會於2002年9月19日成立招標評選委員會，技術部分則委由美國的ICEC（獨立驗證公司）負責所有工程技術的評估，全部施工過程必須得到ICEC同意。ICEC設在加州柏克萊市，負責人Joseph Penzien是柏克萊加大土木系退休榮譽教授（professor emeritus），美國國家工程院院士，聞名於世的柏克萊加大地震工程研究中心(EERC)創辦主任。請這樣知名的土木工程顧問公司來把關，國科會的決定應該不會有問題吧！





台灣有些學者認為，未來南科會有很多廠房，廠房地基一一建立後，一樣有阻隔震波的效果，並不需要再以什麼工法減振。也有學者認為，以高鐵目前測試結果，其振動及噪音問題並不如當初想像的嚴重，因此也許南科振動問題不必過於擔心。據捷儀科技股份有限公司對南科減振工程減振效能驗證量測的量測結果報告，以工區四P289測線比較減振工程未施作(2005年列車振動值)與減振工程接近完工(2006/4/12 ~ 2006/4/13)之列車振動值於頻率3.15Hz，結果顯示，距軌道200公尺處，在與高鐵車行方向垂直的方向減低11分貝，在與高鐵車行方向相同的方向則減低12分貝。如以目前的背景值（即就算沒有高鐵經過，其本身基本振頻）為檢驗標準（，原先南科振頻背景值原先為48分貝，但由於這3、4年來在廠商陸續進駐，目前背景值已高達50－52分貝），依此驗收報告，南科減振工程不但是有必要，而且可算是成功了！





結論



南科園區產值在去年3500億台幣，今年將可望達到5千億，三年後更將成長到一兆。南科減振工程是一個成功的故事，我們很慶幸國科會當時作了正確的選擇。高鐵即將完工通車，如果這件減振工程失敗了，我們真的很難想象對台灣會有多大的衝擊。永峻的溝槽工法是一種古老防振方法，有不少文獻報告此工法對諸如南科高鐵產生的低頻率之振波並無明顯的減振效果。雖然鴻華的複合式工法也有溝槽工法，但鴻華的工法對南科高鐵減振效果主要是來自其另一種工法 — 在橋墩下進行的基礎加勁工程，因為它能將點振源變成線振源，其實這項結論台灣國家地震中心的林聰悟、陳進興、李安杰等專家早在兩年之前的2000年2月就高鐵行經南科園區振動的研究報告就有披露。南科高鐵減振工程的成功，也代表著台灣科技的普及化，科技水準已不下於美日，台灣人民在科技上的創新令人刮目相看。南科減振工程承辦單位團隊應得到的是掌聲而不是責難！







　



作者簡介：

1.林宏容，台大土木學士，柏克萊加大工程博士，前台美航太協會會長、台美基金會會長，現為美國PredictionProbe科技公司創辦人之一與技術長。

2.蔡清芬，佛羅里達邁阿密大學機械工程博士，美國機械工程協會Fellow，波音公司太空部門技術副院士。

3.吳彌高，前台美航太協會會長。

4.周信結博士，聖地亞哥台灣商會會長，聖地亞哥台灣同鄉會/FAPA會長。

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