2 │中│華│技│術│

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專題報導

S P E C I A L R E P O R T

SUMMARY摘 要

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專題報導

壹、背景說明

　　台灣已邁入營運之高速鐵路，為高能源效

率、低環境污染的綠色運輸系統，對於地球環

保要求日益嚴苛的今日有其環保優勢。然而高

速鐵路營運後所可能引致之振動問題，亦如同

其他交通運輸系統所面臨之環保問題一般，漸

為社會大眾所關注。以往軌道運輸所產生之振

動問題，大多以『人』為主要對象，民眾抱怨

事項以影響居民生活、睡眠或工作環境之安寧

等。然而於科技發展一日千里，各種振動敏感

精密產業林立的今日，除了面對民眾抱怨外，

若軌道路線經過振動敏感之科學園區、醫院及

生化科技園區時，尚需考慮列車通過時對於這

些精密產業之影響程度。不管是軌道新線之興

　　台灣高速鐵路是我國近年來重大的經建計畫之一，目前已正式營運通車近兩

年。而高速鐵路之振動量測技術，基於環保問題之需求，亦逐漸成為工程界所討

論及關注重點。本文主要詳述高速鐵路振動源之特性及相關法規，探討振動量測

之儀器規格、量測方法、資料分析及處理方式，並就所蒐集之各種振動量測技術

及實地量測之經驗，提出對於高速鐵路振動量測方法及相關技術之建議，以供各

界參考。期盼相關領域之專家學者，持續投入此一研究領域，以精確掌握軌道運

輸振動對於環境之影響，並進一步提昇此領域之工程技術。

建或是舊線之提昇車速，若路線經過上述之振

動敏感區域，則振動影響評估即扮演極重要之

角色，不但影響工程可行性及路線研選，更影

響減振策略之研判。於路線興建完成或速度提

昇後，亦需一套精良之振動量測技術，以檢視

並判定振動值是否合於振動標準，並可瞭解該

軌道運輸引致地盤振動之特性，以助於後續減

振策略之研擬或修正振動預估模式。為此，本

文首先介紹高速鐵路振動源之特性、傳播路徑

及相關法規，並就所蒐集之各種振動量測技術

及實地量測之經驗，提出對於高速鐵路振動量

測方法及相關技術之建議。

關鍵詞：高速鐵路、振動、量測技術

台灣世曦工程顧問股份有限公司／高鐵土建工管計畫／正工程師／沈怡君

國立成功大學／土木系／教授／倪勝火

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層，車速相近(280~300km/hr)之三種不同結構型

式，於距離高鐵25~30m處，路堤與淺基礎橋梁

之地盤振動特性較接近，而與深基礎橋梁相差

較大。至於覆土較深、地盤堅硬之山岳隧道，

其尖峰振動量約較於圖3之路堤及橋梁淺基結構

低30~15dB，顯著頻率亦傾向高頻。

圖3　不同結構型式引致地盤振動差異比較範例圖 (路堤、淺基及深基橋樑)

四、車速之影響

　　不論高鐵行經隧道、路堤段，現地量測實

驗分析結果的頻率域振動反應皆清楚顯示每一

車速於列車荷載的支配頻率(fn=nV/L)，其頻率域

振動反應是較大的[2]；

fn = n V/L------------------------------------------(1)

其中

fn =共振頻率，下標n為共振頻率之階數(order)

n=任意整數(＝1,2,3,….)

V=列車速度

L=列車長度

由式(1)中可看出，共振頻率、列車速度及列車

長度是彼此相依的。

　　本文藉由高鐵試車速度提昇階段，大量實

地量測高鐵經過南部軟弱土層區域高架橋旁之

近域振動值，於1/3倍頻彙整結果如圖4，由圖4

可知，振動值於不同車速及頻率，亦有明顯差

貳、高鐵振動之特性與影響因素

　　影響高速鐵路振動特性之因素相當多，如

車輛之特性、支撐結構之型式、地質狀況等為

其重要影響因素。於高鐵建設完成後，藉由大

量實地量測各個地點之振動量測，而歸納一些

列車引致地盤振動之特性，以作為選擇振動量

測儀器及量測方法之參考。茲歸納如下：

一、振動源之頻率特性

　　車輛之特性如車重、車廂數、車長、台車

間距等因素，均可影響高鐵列車行駛所引致地

表振動之特性，如圖1所示，為典型新幹線列車

通過軟弱土層區域之高架橋下，列車通過前、

後及高速行駛時，Z軸(上下)方向之地盤振動頻

譜圖。由圖1可知，高鐵引致之振動頻率範圍涵

蓋1~100Hz，振動尖峰頻率，亦可能涵蓋低頻、

中頻及高頻，於選擇量測儀器之有效量測頻率

及振幅範圍時，需考量此特性。

圖1 高鐵列車引致之地盤振動範例圖(軟弱地盤、高架 橋下、車速300km/hr)

二、振動衰減趨勢

　　高速鐵路所引致之地盤振動值受地質條件

之影響甚鉅。圖2為高速鐵路位於軟弱土層及

堅硬地盤之比較。對於鄰近高鐵之近域振動而

言，通過軟弱土層區域之高架橋下之振動值約

比堅硬地盤區高約10~20dB，即使距高鐵200

公尺處，其差異亦達5~10dB。部分軟弱土層區

域，即使距高鐵200公尺處，高鐵所引致之振動

值，仍可清晰量得；所以於佈設測線時，硬地

盤可考慮100m內，軟弱土層需考量大於200m之

測線。

(2a) 距高鐵12.5m處

(2b)距高鐵200m處

圖2 不同地質條件振動衰減趨勢範例圖(距高鐵 12.5m及200m處、車速300km/hr)

三、支撐結構體影響振動之特性

　　台灣高速鐵路沿線之結構型式，計有隧

道、路堤、路塹、橋樑等。由圖3可知[1]，高

鐵支撐結構體不同，其引致地盤振動之頻率特

性及振幅大小亦不同。例如圖3，均位於卵礫石

異，圖4顏色由藍至紅，代表振動值變大。將上

述資料重新以窄頻FFT分析後，彙整如圖5，即

可見主要模態頻率位置。當在某個車速下其某

個倍頻(fn=nV/L)與橋樑之自然頻率相近時會產

生車橋共振，因此要減小振動一定要避免共振

[2]。

圖4 Z方向各車速之振動dB值於1/3倍頻之頻率分佈圖

圖5 Z方向各車速之FFT振動值及主要模態頻率分佈圖

參、振動法規及標準　　

　　因應不同受體，產生不同之承受規準，較

常見為結構物之振動標準(structural criteria)，

影響人生理之振動標準(physiological criteria)

和機具生產製程之振動標準(production-quality

criteria)。其中以機具生產之振動標準最為嚴

格。有關精密廠房之振動標準如表1及圖6所示

。

1 1.6 2.5 4 6.3 10 16 25 40 63 1001/3 Octave Band Center Frequency (Hz)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

RM

S V

elocit

y (d

B, r

ef. 1

micr

o-in

/sec

)

Z-direction

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圖6 精密機具運作振動標準[3]

肆、振動量測儀器及方法

　　本節詳述有關高速鐵路振動量測及分析方

法、儀器選擇要點並輔以實例說明現場佈設規

劃及注意事項，為多次現地試驗之心得分享。

一、振動量測及分析方法

　　一般傳統的振動量測，是先測量地表質點

之速度或加速度，再藉由積分求取質點之位

移。但對於高科技園區，精密機具振動規格與

表示法，有別於傳統之表示方法。精密機具平

台之振動標準，如前節所述，均採用1/3八音階

之寬頻帶（one - third octave band）表示。而本

文之量測法亦採用此種方法，其各寬頻帶之中

央頻率對應之振動大小則以dB表示。dB之定義

為

ref

mdB 10log20------------------------(2)

上式中， mv 為測點量測所得之速度， refv 　

為參考速度， sec/10 6 invref

　　

　　一般在以時域取得振動資料後，可以在時

間域和頻率域內兩種方式進行分析。頻率域之

分析法是將時域資料以傅利葉函數轉換成頻率

域後，再以均方根(RMS)法求取特定頻寬之均方

根振幅，以 1/3倍頻帶頻譜在頻率域之RMSdB

振幅分析步驟如下：

(一)儀器取得振動之時域資料後，取一

時間歷時x(t)（通常進行為8秒或16秒）

進行快速傅利葉分析，得傅利葉頻譜，

並以下式計算其半邊之能譜密度函數

Sx(f)，如下：

TfX

fS x

22--------------(3)

上式中 fX 為x(t)在頻率f下之傅利

葉振幅，T為x(t)之延時（不包含快速傅

氏轉換時所補之零）。

(二)能譜密度函數之積分值

fu

fl xcx dffSfE -------(4)

其中： uf 與 lf 分別為頻寬之上

下限， cf 則為中心頻率。此參數根

據ANSI　S1.6-1984中針對八分貝頻帶及

1/3倍頻帶上下限頻率及中心頻率之規定

來選定。

(三) 每一頻寬 lui fff 內，振

動量x(t)之均方根(RMS)值 cx f

為：

cxcx fEf --------(5)

(四) 每一中心頻率 cf 之頻譜值，計

算相對於610 in/sec之參考值，而以分

貝表示之RMS速度振動量(Lv)為：

610 10log20 cx

vfdBL

---------(6)

二、振動量測儀器之選擇

　　振動量測系統主要包含振動感測器、前端

動態訊號擷取分析器和電腦或分析儀，以下將

針對高速鐵路地盤振動量測之需求，探討振動

量測儀器及設備之選擇方式[4]。

(一)振動感測器

　　振動感測器可為速度規或加速度

規，速度規之優點為其輸出即為速度

值，無需積分，但考慮其體積較大，攜

帶不便且可供選擇之新機型較少，因此

仍建議採加速度規，並配置一硬體積分

器，可將加速度直接積分成速度輸出。

為求量測之準確性及符合軌道運輸地盤

振動之特性及量測資料之完整性，建議

設置三向度之振動感測器，相關規格以

可量測之頻率需涵蓋軌道運輸引致地盤

振動較重要之中心頻率範圍1~100Hz，

則合於規格要求。而敏感度(Vol t age

Sensitivity)為10V/g，可量測之振動量範

圍為0.5g(pk)較為適合。為使較小振動

量之量測值亦為準確，須注意其輸出雜

訊是否低於可能量測到之最小振動量(例

如：無列車通過時之背景振動)。另外，

由於設置於室外，故尚需考慮其耐摔及

耐溫程度，以符合耐久性之需求。

(二)振動訊號擷取系統 (或分析儀)

　　振動訊號擷取系統包括前端動態訊

號擷取分析器與後端之電腦設備，或為

具備上述兩項功能之分析儀。前端動態

訊號擷取分析器，包含至少16位元之類

比數位訊號轉換器，濾波器和動態訊號

處理器（dynamic signal processor）。若

希望可同時收錄3個量測點三個軸向之振

動量，則分析儀之頻道數，至少須為16

個頻道(一般為4，8，16，32，64等倍

數)。每一頻道需有足夠之分析頻寬(例如

0.1~10kHz)，及須注意其雜訊需低於可能

量測到之最小振動量(例如：無列車通過

時之背景振動)。啟動量測時，將前端資

料擷取分析器輸入設定為512Hz取樣率，

所量測之時域波形訊號，經類比數位訊

號轉換器轉換成數位訊號，時域資料直

接經過頻帶濾波器（bandfilter），計算

其倍音頻或1/3倍音頻頻帶之分貝值(只擷

取由1至100Hz等21個中心頻率的頻帶)。

後端之電腦為此訊號擷取之控制器，其

目的是進行控制訊號之擷取，計算和儲

存等工作。而電腦(或分析儀)以具備有一

高容量之硬碟機為佳，並具備微分、積

分、計算均方根值、線性平均值(Linear

Average)之數值運算功能。

三、振動量測現場實例與注意事項

規準曲

線名稱

最大振動速度1

微米/秒(均方根值)

細部

尺寸2

微米

用 途 描 述

VC-A 50 8足夠應用於大多數案例，如400倍內之光學顯微鏡、微量天平、光學天平、近接和投射調準器等。

VC-B 25 3作為1000倍內之光學顯微鏡、解析至3微米線寬之步進式之檢驗及平板印刷機之適合標準。

VC-C 12.5 1為一應用於解析至1微米線寬之平板印刷機和檢驗機之良好標準。

VC-D 6 0.3適用於大多數案例，包括TEMs 及 SEMs 廠最高要求之電子顯微鏡及 E-Beam系統，可發揮其最大使用限度。

VC-E 3 0.1

多數情況下較難達成之規準。通常假設其足夠應用於像應用雷射長路徑對準小標的之最高要求之靈敏系統及其他需特殊動態穩定系統機具。

表1　精密廠房振動標準之應用及說明[3]

備註：

1.以1/3倍音頻頻譜分析8-100 Hz之量測值所得 (dB參考速度為10-6 in/sec)。

2.細部尺寸＂是參考微電子製造業之線寬、醫學和藥學研究之粒子或細胞尺

寸等，所列數值已考慮藥學研究和振動等之觀察值。

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　　以下以現場振動量測佈設實例，說明振動

量測之佈設方法，並簡述振動量測注意事項以

及量測之資料紀錄方法。

(一) 振動量測現場實例及注意事項[4]

　　現場量測時，應事先勘查場地，除

選擇及規劃佈設之點位外，分析儀及工

作站之設置地點，亦需事先規劃。精密

度要求較高之量測(例如檢驗測點之振動

值是否合於法規之規定)，量測點位置尚

需經緯儀定位。量測點需設於平坦堅硬

之地，且附近無其他振動干擾源。若測

線較長，需考慮是否需先清理場地，以

利佈設訊號線。若現場之工作人員均攜

帶通訊器材，可使量測工作更為順利。

若事先即預定於夜間工作，則照明之設

備亦為必需品。現場電源亦需事先規

劃，為避免發電機之振動干擾現場量測

列車或背景振動，若附近無穩定電源，

建議以充電電池為電源。所有感測器及

訊號線均需編號，並註明量測之方向，

若訊號線較長，可準備捲軸，以利佈線

及收線。擬設置感測器之地點，需先將

鬆軟之表土或草皮鏟平，將基座固定並

將水準氣泡定平，若有需要，亦可利用

石膏或預埋混凝土板使場地較為平坦(如

圖7)。

　

　　基座定平後，再將感測器安裝於基

座上列(詳圖8)，並利用訊號線以連接感

測器及分析儀。連線完成後，可於量測

點旁跳數下，以測試每一量測點之訊號

是否正常。依經驗現場較容易出現之狀

況為訊號線損壞、電池耗盡、分析儀參

數設定錯誤、接頭之零件遺失等問題，

故事先應有一設備檢查表以核對裝備及

應額外攜帶一些備用電池及訊號線，分

析儀及感測器應事先校正，及製作分析

儀設定之程序及參數之範例，以供現場

量測人員參考及檢核。為避免感測器受

到雨淋或強風之干擾，影響量測之準確

度，感測器應以保護罩加以保護。除量

測列車振動外，每一筆列車振動之資料

應有一筆列車接近前或遠離後之背景振

動，以瞭解列車經過之振動增加量，此

點可藉由規劃觸發裝置來達成。如可裝

設兩組光感測器(列車通過時，訊號即遮

斷，如圖9， LS-A及LS-B)，可感知列車

通過時間，並測得列車之車速。為確定

量測資料量是否受其他環境振動源之干

擾，若分析儀之頻道數尚足夠，可加裝

麥克風監測以排除受干擾之量測資料。

量測時，裝置氣象儀可檢視當時之氣象

狀況是否符合量測條件。

(二) 資料記錄方法[4]

　　量測記錄須包括量測時間、上行線

或下行線或會車、車速、測點與高鐵中

心線之距離、測點之方向(行車方向或垂

直行車方向或上下振動)、結構物之型式

及基本資料(隧道、路堤、路塹或高架

橋，若為高架橋需說明橋梁跨徑、上構

及下構型式及尺寸、基礎型式等)、土層

資料(附近鑽孔之資料)、振動頻譜及振動

值總量等資料，以利後續分析及研討工

作之進行。

伍、結語

　　正當航空、高速公路交通運輸系統

不斷受到來自環境及能源危機等嚴峻挑

戰時，台灣完成了第一條集合當今世界

先進輪軌技術的高速鐵路，使台灣的交

通邁向節能環保的新紀元；自高速鐵路

投入運輸服務後，已成為國內民眾生活

不可或缺的主要交通運輸系統。然而，

在工程實務上，對於新建軌道運輸路線

之振動影響評估，卻仍屬發展萌芽階

段。因國內尚缺乏明確且準確之評估方

法，使得各項工程建設往往自行引進國

外的評估方式，評估結果可能過於保守

造成工程資源浪費，或是過於樂觀而忽

略潛在之問題。

　　綜觀台灣高速鐵路之路線廣含橋

梁、隧道、路堤及路塹等多樣性結構

體，沿線亦經過各種不同地質條件之區

域，我們相較於其他尚未有高鐵的國

家，有更好的機會藉由精確的現地振動

測技術以瞭解高速鐵路的振動傳播特

性。

　　本文詳述高速鐵路振動源之特性及

相關法規，並探討振動量測之儀器規

格、量測方法、資料分析及處理方式

等，以供各界參考。期盼相關領域之專

家學者，持續投入此一研究領域，以精

確掌握軌道運輸振動對於環境之影響，

並進一步提昇此領域之工程技術。

參考文獻

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及監測技術探討＂,第十屆學術研討會，中華民

國振動與噪音工程學會

5.Chen, Y.-J., Shen, Y.-J., and Chen, K.-Y. (2006) “The characteristics and measurement scheme for ground vibration induced by passing train in bridge structures”, Inter-Noise 2006.

圖７ 量測點置入混凝土版以保持水平

圖8　感測器安裝及量測儀器佈設

圖9 安裝於橋上之光感測器及高鐵通過時之觸發訊號[5]