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與災共生(五):當橋梁遇上光纖

光纖監測系統能長時間監測橋體受到外力產生的震動,圖為重型車輛通過南投集鹿大橋時的監測數據。(圖片來源:國家地震工程研究中心,李政寬提供)

光纖監測系統能長時間監測橋體受到外力產生的震動,圖為重型車輛通過南投集鹿大橋時的監測數據。(圖片來源:國家地震工程研究中心,李政寬提供)

台灣島上河系眾多,在台灣的開發史中,就因為河流東西阻斷陸上交通,南北向交通往來不易,海上交通興盛促成西部沿海的海港都市最先興起。而今日,橋梁克服台灣先天環境,跨越河流與山谷串連南北,其對於經濟與民生的重要性不言可喻。然而這些橋梁缺乏統一且完善的後續維護,除了颱風豪雨來襲時屢見橋梁遭山洪沖垮,即便晴空萬里亦有橋梁突然崩塌的案例。國家地震中心的李政寬博士長期參與光纖監控技術的研發,就讓我們跟隨李博士一起了解,聽起來相當科幻的光纖科技如何讓我們行的更安全。

橋梁安全管理作業困難

台灣目前約有兩萬八千多座橋梁,由於用途以及興建單位的不同,分屬多個不同單位管轄,包含公路總局、高速公路局、各縣市政府、鐵路局、捷運局以及高鐵公司等等,絕大多數的橋梁都無自動化監測管理。目前的橋梁管理多仰賴人工巡查方式,藉由派遣維護人力至現場以目視搭配監測器具監測橋粱結構是否安全。這種方式不僅曠日廢時,人力成本高昂,且經常有許多死角與到不了的地方,讓許多橋梁結構上潛在的危險無法在第一時間發現。加以台灣的橋梁經常暴露於自然災害中,颱風或暴雨過後,缺乏有效率的安全監測,如果橋梁於災時毀損,可能導致路過民眾傷亡,並讓救災更加不易。

目前橋管單位判斷橋粱是否危險的依據為河水高度,主要是針對颱風豪雨對橋梁的影響,對於橋梁本身的結構安全並未多加著墨。另外,台灣的橋梁常受地震威脅,而且又有超載與老劣化問題,耐久性與安全性日益堪慮,所以針對橋梁結構安全的檢測工作越來越重要。有時即便晴空萬里,橋梁也會突然崩塌,像是2000年高屏大橋便在八月颱風剛過的一個晴朗午後,位於中間的二十二號橋墩突然下陷,導致「落橋」,整個橋面崩塌,導致三十多人輕重傷。最近在2013年6月初,基隆火車站的人行陸橋亦毫無預警塌落,造成一人受傷。這些事件提醒我們台灣橋梁的安全狀況有很多潛在風險,老舊橋梁時時刻刻威脅著用路人,因此有必要開發實用儀器,隨時瞭解橋梁的健康狀況。

全方位全橋光纖監測系統初露身手:二高崩山事件

在2010年4月,北二高3.25公里處的師公格山發生大規模走山,大量土石掩埋下方的北二高路面與部分橋梁。迫於搶通的時間壓力,國家地震中心臨危受命,需在6天的時間內判斷修復後的橋梁結構是否安全。在主線道橋梁的承重試驗過程中,國家地震中心亦是運用傳統的橋梁監測方法,但連續6天耗費大量人力與工作時間,讓人思考是否有更快速的監測方法。於是在半年後匝道橋梁搶通時,便首次運用上光纖監控技術,在相當短的時間內便完成了橋梁結構安全的判斷。

那麼,到底甚麼是全方位全橋光纖監測系統呢?光纖監測系統藉由「光纖光柵(Fiber grating)」的設置,運用光學中光的繞射效應,在光源端打入寬頻光,入射到一個具有狹縫的平面,光會因入射光的波長及狹縫的寬度,而在另一端產生不同間距的亮暗相間繞射條紋。若重複放置這些有狹縫的平面,便可以獲得疊加的效果,此一週期性狹縫的結構便是所謂的光柵(Grating)結構。接著再將光纖與各種感應器結合,例如觀測橋梁結構位移量的位移計、觀測水位的水位計、觀測橋梁結構是否沉陷傾斜的高程計,以及觀察橋梁受到地震與汽車通過造成的震動的振動計,便可相當全面地監控橋梁結構受到的各種力的作用與物理變化。

光纖監測系統的優勢

光纖監測系統與傳統監測方式相較有三大優勢,第一為經濟成本上較為便宜,傳統的橋梁結構監測器具多自進口國外,而光纖橋梁監控技術的軟硬體多為台灣自主研發製造,許多相關儀器亦為台灣首創發明,能大幅減少系統的建置經費。目前光纖監控的成本每兩公里約四百至五百萬元,為進口設備花費的二分之一至三分之一,且因為這項技術在台灣已經趨於成熟,未來亦有技術輸出的潛力。第二能監控長距離多跨距的橋粱,能同時監控水位變化、橋梁是否沉陷與傾斜,以及斜張橋的鋼纜張力等等。第三能長時間全天候的監測橋梁安全,平時協助維護人員監控橋梁,並在地震與洪水來襲時即時提供橋梁結構資訊,協助封橋判斷與事後維修。

然而,目前國內與國外對於橋梁的安全管理監測有認知上的不同,在國內,橋梁安全監測系統的投資額約是工程金額的0.5%,與香港跨海大橋的2%到3%有4至5倍的差距,許多地方政府或橋梁管理單位寧願將經費花在橋的夜間光雕裝飾上,卻不了解或不願意投資橋梁的安全監測,導致台灣實際運用光纖監控的橋梁並不多。相信光纖技術降低了監測費用後,未來極有潛力大量的運用在台灣的橋梁上,目前僅僅於台北市大直橋以及南投縣集鹿大橋有示範性質的設置。

防災及救災是與時間賽跑的工作,國家地震中心的全方位全橋光纖監測系統猶如千里眼,能監控遠處橋梁的安全,且擁有顯微鏡般能力,能檢查橋梁些微的變化,隨時全方位即時監測長橋,讓我們用路更加安全。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院國家科學委員會科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

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關於作者

李柏昱

成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。