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21세기 한국철도 궤도기술, 플로팅 슬래브궤도 · 아스팔트 궤도
승차감 유지케 하는 구조물 궤도 … 선하역사에 효율적인 플로팅 궤도공법
문기환 기자
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기사입력: 2018/06/27 [09:39]   최종편집:
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-특정 주파수 이상의 가진하중 감소해 하부 구조물로 전달하는 시스템

 -아스팔트 콘크리트 궤도, 이산화탄소 발생량 줄이는 친환경 기술 주목

 

철도산업에서도 효율성을 극대화하고 쾌적한 환경을 창출해야 한다는 강한 사회적 욕구는 철도기술에 대한 부단한 개발과 혁신을 요구하고 있다.

 

철도의 여러 설비주의 하나인 궤도는 차량의 주행로를 형성해, 가속과 제동시의 힘을 받아 차량의 주행안전을 확보하고 좋은 승차감을 유지할 수 있어야 하는 장대한 구조물이다.

 

본래 궤도는 경험적인 구조물로서 부설돼 왔으나 날로 증가되는 선로연장에 대한 막대한 유지관리 비용의 부담과 속도경쟁에 따른 고속화의 필요성 등으로 종래와 같이 전문지식의 부족을 안전에 대한 커다란 마진(Margin)에 의존해 해결하는 것은 더 이상 용인되지 않은 상황이 돼가고 있다.

 

이에 새로운 기술개발을 위해서는 혁신적인 발상의 전환이 필요하나 기존 시스템과의 통일성, 호환성을 유지하면서 핵심적인 설비를 개량하는 유연한 사고가 필요하기에 궤도기술의 새로운 변화와 최근의 기술개발 성과 등을 살펴보고 발전 가능성을 새로운 ‘철도의 날’ 특집을 통해 들여다본다.

 

쾌적한 철도역사 조성을 위한 소음진동저감 사전제작형 플로팅 슬래브궤도

 

코레일은 국토교통부 철도기술연구사업으로 철도기술연구원과 각 해당 연구기업 들과 함께 기존선에서 급속시공이 가능하고 소음진동을 저감시키는 ‘사전제작형 플로팅 슬래브궤도’를 개발해 대천역에 시험부설을 성공했다고 지난 2월 밝힌 바 있다.

▲ 대천역에 시범설치한 ‘사전제작형 플로팅 슬래브궤도’ 모습     © 매일건설신문


사전제작형 플로팅 슬래브궤도는 콘크리트 패널과 방진장치로 구성된다. 콘크리트 슬래브는 운행 중 시공을 고려해 공장제작형 분리형 패널로 설계한다.

 

핵심기술인 방진장치는 마찰쐐기 방식을 이용해 마찰이력거동을 통해 에너지를 소산시키고 궤도를 하부구조물과 격리시킴으로써 열차운행으로 인한 소음과 진동을 저감시킨다.

 

슬래브 하부에 방진장치가 지지하는 형식의 ‘ㅍ’자 형상으로 설계된 ‘사전제작형 플로팅 슬래브궤도’는 다양한 성능시험과 300만회이상의 피로시험을 통해 성능 및 내구성이 검증된 기술이다.

 

기존선 급속개량을 통한 열차운행에 따른 소음/진동을 획기적으로 줄이는 등 역사 내 종사자와 이용객에 쾌적한 공간을 제공하고, 구조물의 내구성 향상에 크게 기여할 것으로 예상된다.

 

비중 커지는 선하역사, 소음진동 효율적인 플로팅 궤도공법 주목

▲ 선하역사의 진동 소음 전달 특성     © 매일건설신문

 

철도운행시 시설물 주변에서 발생되는 진동과 소음은 사용자의 편안함과 안락함을 저해하며 직접적인 피해배상, 저감비용(차음, 차진 공사비용) 및 유지보수비용 외에도 미처 예상하지 못한 불확실한 소요비용이 발생될 수 있다.

 

그리고 전 세계적으로도 소음, 진동 분쟁 발생시 배상청구의 근거가 되는 법적 기준도 점차 강화되는 추세이여서 철도 신선 및 기존선의 시설에 대한 기술적 대책이 필요하다.

 

특히 기존 철도시설물에 진동소음발생으로 인한 운행선상에서 방진, 방음 대책 적용 및 유지보수 방안은 상대적으로 취약한 것으로 평가된다.

 

또한 최근 철도부지 확보의 어려움으로 철도 선로의 입체화가 증가되고 있으며, 선로하부의 유휴공간을 활용할 수 있는 선하역사의 비중이 커지고 있다.

 

선하역사는 부지면적을 최소화하고 여객동선을 단축할 수 있어 경제적이나, 차량-궤도에서 발생하는 하중 및 진동이 직접적으로 역사 구조물로 전달되므로 타 형식의 역사에 비해 소음·진동에 더 취약한 구조적 특성을 가지고 있다. 따라서 열차로부터 발생하는 소음, 구조물의 특성을 저감할 수 있는 대책수립이 점점 요구되는 실정이다.

 

일반적으로 철도에 의한 소음․진동은 측정위치 별로 발생원(source), 전달경로(path), 응답원(receiver)로 분류될 수 있으며, 소음․진동의 전달도 같은 순서로 전파되는 일반적 특징을 갖는다.

 

공간이 벽체 등으로 타 공간과 격리된 격실구조에서 발생한 소음의 경우는 공간을 제한하는 벽체 등의 영향으로 발생원의 공간 내에서 대부분 차단되는 특징을 갖는다.

 

하지만 진동의 경우는 진동 발생원과 직접적으로 연결된 동일 구조계 내에서는 주요 구조재를 통해 진동이 전달되며, 이러한 진동발생 및 전달 메커니즘에 의해 구조물 소음이 발생한다.

 

역사(驛舍)는 열차의 운행으로 발생하는 하중 및 진동이 궤도 및 교량을 통해 주요 구조재인 기둥, 슬래브, 벽체 등을 통하여 전달되며, 이로 인하여 역사 공간에서도 진동 전달에 따른 2차 소음 피해가 발생해 이에 대한 대책이 필요한 실정이다.

 

기존 역사에서 소음‧진동 저감 대책은 발생원, 전달경로, 응답원에서 각각 수립이 가능하지만, 역사 구조물과 같이 명확한 발생원의 경우에는 발생 가진원에서의 대책을 수립하는 것이 가장 효과적이다. 역사의 소음‧진동에 가장 효율적인 저감 기술 중의 하나는 플로팅 궤도공법으로서 국내‧외 다수의 사례를 통해 검증된 바 있다.

 

그러나 대부분의 기술이 현장타설식 공법을 적용해 신설역사에는 적용이 가능하나, 열차운행 중단이 곤란한 운영선상의 역사에서 상당한 공사기간동안 운행선을 완전 차단을 해야 하며, 이는 도심지 교통의 중요한 역할을 하고 있는 일반철도 및 도시철도의 경우는 공법적용이 불가능한 실정이다.

 

따라서 신설선 및 기존선 선하역사에서 진동저감을 위한 대안구조로서 소음‧진동에 가장 효율적인 플로팅 궤도공법에 주목했고, 기존의 기술과 동등이상의 성능을 발휘하며, 운행선상의 역사에 설치가 가능한 시스템을 개발하고자 했다.

 

플로팅 슬래브궤도의 기술 특성

 

열차 운행으로 인한 가진 하중은 궤도를 통해 하부구조물로 전달된다. 이 때 궤도는 일종의 필터 역할을 하는데 플로팅 슬래브 궤도 시스템은 방진장치를 통해 궤도를 하부구조물과 격리시킴으로써 궤도를 저역필터(Low pass filter)화 하는 것이다. 다시 말해 플로팅 슬래브 궤도 시스템은 특정 주파수 이상의 가진하중을 감소시켜 하부 구조물로 전달되도록 하는 시스템이다.

 

기존역사 자갈궤도를 철거 후 제한시간 내 설치가 가능하도록 개발된 프리캐스트 플로팅 궤도는 5m 길이의 프리캐스트 궤도패널 1개 패널 하부에 6개의 방진장치가 부착돼있다.

▲ 외부가진하중     © 매일건설신문

이 조립블럭은 급속시공을 위해서 시공현장으로 운반하여 미리 정거장 슬래브 상부에 정렬하여 고정된 궤도 높이조절용 받침부에 조립 체결한다. 패널은 유압 Jack 등으로 인상(Lifting) 후 정밀측량을 통해 고저정정을 실시하며 플로팅궤도 시스템을 순차적으로 부설한다.

 

열차주행 시 발생되는 패널의 진동은 레일 및 체결구→궤도 패널→방진장치→역사구조물로 이어지는 전달 과정에서, 질량-스프링 시스템(MSS; Mass-Spring System)시스템의 질량과 마찰쐐기형 방진장치의 이력거동, 감쇄를 통해 저감된다.

 

▲ 방진장치     © 매일건설신문

 

방진장치는 코일 스프링과 쐐기형 마찰블럭을 이용한 방진장치로서 수평/수직 코일 스프링을 이용한 장치강성을 구현하고 마찰블럭을 이용한 감쇠를 확보했다.

 

연직방향 스프링강성은 22.5kN/mm이며 수평방향 스프링강성은 18kN/mm로 설계되었고 감쇠율 5%이다.

 

F.L 및 R.L확보를 위해서 세밀한 평탄도 정밀측정으로 1차 높낮이 조정이후 2차로 궤도 장치의 높이받침으로 높낮이 조정을 통한 정밀시공이 가능하다.

 

거동예측이 가능한 코일스프링 및 마찰댐퍼를 적용하여 신뢰성이 높은 물성치 구현이 가능하다. 방진장치는 마모영향이 적은 마찰재를 선정하여 내구성을 확보하고 마찰댐퍼 시험 및 장치피로시험을 수행하여 충분한 성능검증이 이뤄졌다.

 

'아스팔트 콘크리트 궤도’ 교통신기술 획득

소음·진동 저감, 신속한 유지보수, 공사비 절감

 

 철도기술연구원이 개발한 철도 아스팔트 콘크리트 궤도 구조 시스템 및 그 부설방법이 교통신기술(교통 제44, 국토교통부)로 최근 지정됐다.

▲ 시공완료 후 열차주행 사진, 경북선 백원역 구내     © 매일건설신문


개발된 아스팔트 콘크리트 궤도 기술은 기존 콘크리트 궤도에 비해 충격을 저감시키는 아스팔트 재료를 적용함으로써 소음과 진동을 2~3dB 줄일 수 있으며, 이산화탄소 발생량을 무근콘크리트에 비해 1/3, 철근콘크리트에 비해 1/4배로 줄일 수 있어 친환경적인 궤도 기술이라고 할 수 있다.

 

또한, 아스팔트 재질의 특성으로 이음매 없이 포장할 수 있어 시공속도가 빠르고 경화시간이 짧아 신속한 유지보수가 가능하다. 기존 자갈 궤도는 100m/일, 콘크리트 궤도는 300m/일의 시공이 가능하지만, 이 기술을 적용하면 400m/일로 더 빠르게 시공할 수 있다.

 

자연재해 및 탈선사고에 따른 궤도 유실, 궤도 침하 등으로 인한 궤도 정비가 필요한 경우 신속한 유지보수가 가능하며, 시공 공정을 단순화해 콘크리트 궤도 대비 약 10% 이상의 공사비를 절감할 수 있다.

 

독일에서 개발해 사용하고 있는 아스팔트 콘크리트 궤도는 일반적으로 침목의 중앙부에 수평변위 저항장치가 설치되어 있지만, 이번에 개발된 기술은 침목의 측면에 수평변위 저항장치를 설치함으로써 유지보수가 편리하고, 궤도구조를 최적화함으로써 시공이 편리해졌다.

 

교통신기술로 지정됨에 따라 도로 포장에 국한되어 있는 아스팔트포장 기술이 철도 건설분야로 확장될 수 있게 됐다. 이에 따라 현재 자갈궤도와 콘크리트 궤도에 제한돼있는 궤도 시스템의 선택폭이 넓어짐으로써 보다 효율적인 국가 철도망 구축이 가능할 것으로 기대된다.

 

 

/문기환 기자

 

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