세계적으로 저탄소 녹색교통 수단으로서 고속철도에 대한 관심이 고조돼 글로벌 철도시장의 규모가 대폭 확대될 것으로 예상되며, 현재도 대규모 고속철도 프로젝트가 거론되고 있는 상황에서 국제시장에서 국내 철도건설 기술의 경쟁력을 확보하기 위해서는 안전성, 효율성, 경제성에 바탕을 둔 철도건설기술과 관련 기준 확립이 필수 요소로 자리 잡고 있다.
이에 발맞춰 ‘철도건설 경쟁력 확보를 위한 제반 연구’ 과제가 대한토목학회, 한국건설기술연구원, 한국철도기술연구원의 3개 기관이 공동으로 참여해 총 6개 연구 분야의 연구를 수행하고 있다.
그 중 ‘궤도선형 기준 개선 연구’가 한국철도기술연구원 남성원 박사를 중심으로 진행되고 있어 주목받고 있다.
토지 수용비 등 공사비 줄이고 안전 확보 기여
굴착 작업량 ‘채취 흙’ 양 줄어 비용 크게 절감
일반적으로 상하행선의 선로 중심 간격은 그 선로에서 운행될 차량 한계 범위까지는 줄일 수 있지만 열차의 고속 주행 시 교차하는 열차의 풍압 증가가 열차의 주행 안정성과 전복 안전성에 미치는 영향력을 고려해 차량 한계 보다는 더 넓은 선로 중심 간격을 정하고 있다.
이처럼 열차의 고속 주행 시 발생되는 열차풍의 영향은 열차 교행 시 상대 열차에 횡력으로 작용하며, 이로 인해 증가되는 차량 간의 풍압력 변동과 횡방향 가속도의 변화에 따른 차량의 윤중 감소율, 횡압, 탈선계수는 선로 중심 간격 결정에 주요 요인으로 대두되고 있다.
특히, 열차 속도 증가와 선로 중심 간격의 감소로 인해 발생되는 열차풍 증대와 교행 열차 사이에 발생되는 압력 변동은 교행 열차의 횡가속도를 증가 시킬 수 있는 요인으로 진전될 수 있다.
따라서 열차 교행 시 압력 변동의 주요 요인인 교행 열차간의 풍압력 변화를 예측하고 그 영향력을 검토, 열차에 미치는 외력의 변화에 따른 열차의 주행 안전성을 분석이 이뤄져야 한다.
또한, 시공기면 폭의 경우 단독 열차풍과 관계가 깊어 차량의 주행 안전성 보다는 선로변의 작업자의 안전 문제와 시설물의 구조에 미치는 반복되는 피로 풍하중에 영향을 끼친다.
이와 함께 터널 단면적 크기 결정 시에는 공기역학적인 측면에서는 터널의 최소 단면적을 제한하며, 철도 차량에 탑승하고 있는 승객들에게 미치는 객실 내 압력 변화의 한계값과 차량속도 증가와 차량·터널 단면적 비율 축소로 인해 발생되는 환경 소음의 일종인 미기압파의 크기 제한 측면에서 영향을 끼친다.
즉, 선로 중심 간격의 최적 설계를 위해 선로 중심 간격의 축소와 같은 개선 효과와 열차 교행 시 주행 안정성과 차량 한계의 제한 인자에 대한 검토가 필요하며, 터널 단면적 최적 설계를 위해서는 터널 단면적 축소와 같은 개선 효과와 객실 내 승객들이 느끼는 의학적 압력 한계와 터널 출구 부근의 미기압파의 제한인자에 대한 검토가 필요하다.
이외에도 열차풍과 자연풍의 영향을 고려한 시공기면 폭의 최적화와 선로변 시설물의 최적화를 이룰 수 있으나, 선로변 작업자의 안전, 플랫폼의 대기 승객들의 안전과 건축 한계라는 제한 인자에 대한 인터페이스에 대한 검토가 필요하다.
따라서 이 연구에서는 공력 설계 기술 적용을 통한 철도 건설 경쟁력 확보를 위해 열차 풍압의 영향을 고려한 선로 중심 간격 최적화와 공력측면에서의 터널 단면적 최적화에 관해 국내외 사례 비교, 관련 기술 기준 검토, 기술 동향 분석과 연구 개발을 통한 최적화 방안을 수립에 대한 연구가 진행되고 있다.
 |
| 열차 풍압 측정 전경 |
궤도 중심 간격
이 연구에서는 열차 교행 시 압력변동의 주요 요인인 교행 열차간의 유동 변화에 대한 예측과 함께 영향력을 검토, 열차에 미치는 외력의 변화에 따른 열차의 주행 안전성 분석이 이뤄지고 있다.
정밀한 분석을 위해 KTX 열차를 이용한 실차 실험을 통해 영업 속도로 왕복 운행하며 교행시의 차량 측벽에 끼치는 압력을 실시간 측정이 이뤄졌다. 차량 외부의 압력은 차체 측벽에 수직으로 압력 튜브를 설치, 압력 센서에 연결했으며, 실내 압력계의 계측 위치는 객실 내 중앙의 의자 위에 설치해 진행됐다.
또한, 선로변 열차풍압 현장시험도 이뤄졌는데 고속열차의 주행으로 발생하는 열차 풍압의 거리별 크기 변화를 측정하기 위해 선로변에서 현장 실험이 실시됐다.
이 같은 선로 중심 간격과 시공기면 폭에 대한 조사 분석 결과 우리나라 철도에 적용하고 있는 규정이나 규격이 국제적으로 통용되기 위해서는 좀 더 개선해야할 여지가 있는 것으로 나타났다.
터널 단면적 최적화
터널 단면적 최적화를 위한 일반적인 규정은 마련돼 있지 않지만, 최소한의 요건으로 터널을 주행하는 동적 차량한계와 터널 내부에 설치될 시설물간의 간섭이 없어야 하며, 쾌적성 과 승객의 건강측면에서 이명감을 느끼는 차량 실내 압력 변동 한계, 환경측면에서 터널 출구에서 방사되는 환경 소음의 일종인 미기압파의 한계값이 터널 단면적을 제한하는 요인이 되고 있다.
따라서 이 연구에서는 국내외 적용 사례의 검토와 터널 단면적의 결정시 고려해야할 요소인 이명감과 미기압에 대한 기준 만족 여부를 이론 해석과 전산 해석을 통해 적용 가능한 터널 단면적에 대한 분석이 이뤄지고 있다.
이를 위해 터널 압력과 실내압 변동 해석, 미기압파 해석 등의 연구가 진행되고 있다.
터널 압력 및 실내압 변동 해석의 경우 전산 시뮬레이션을 이용, 열차의 터널 통과속도 300km/h와 350km/h에 대한 해석 결과를 도출해냈다. 고속 철도의 터널 내 압력 변동은 급격한 변화 패턴을 보이는 것이 비해 차량은 대부분 차체가 기밀 설계돼 있으며, 환기 장치도 여압시스템 또한 차단 장치를 갖추고 있어 고속 열차의 차량 객실 내 내부 압력 변화는 비교적 완만한 변화를 나타내는 것으로 나타났다.
 |
| 차량 내외부 압력 측정 개략도 |
기대효과
선로 중심 간격과 터널 단면적에 대한 최적화는 공사비 절감과 안전 확보 측면에서 매우 중요하며 특히 선로 중심 간격은 새로운 철도 노선 건설 시, 토지 수용비의 절감 효과를 가져 올 수 있으며, 전체적인 노반 폭의 축소 효과를 거둘 수 있을 것으로 전망된다.
또한, 터널 단면적과 교량 상판의 면적 최적화와 같은 부가적인 파급 효과도 기대되며, 터널 단면적의 최적화도 굴착 작업량의 경감과 채취된 흙의 양이 줄어 처리 비용도 감소되는 2차적인 개선 효과를 기대할 수 있다.
이와 함께 터널 단면적 최적화에 의한 개선 효과는 기존의 터널 단면적을 97m2 공사비 추정액을 3,000만원/m에 대해 터널 단면적이 90m2 으로 줄어들면, 공사비는 2,783만원/m으로 217만원/m이 감소해 7.23%의 절감 효과를 각각 거둘 수 있으며, 터널 길이별로 단면적을 달리하고, 부속 시설물을 이용할 경우, 추가적으로 축소 가능할 것으로 전망된다.
인 / 터 / 뷰
중심 간격 15cm 줄인다
 |
| 남성원 박사 |
한국철도기술연구원 남성원 박사는 “이 연구는 철도 건설 경쟁력 확보를 위한 공력 분야의 주요 과제로 선로 중심 간격의 최적화를 중심으로 조사 분석하는 연구”라고 밝히며, “공력 분야 연구들은 주로 교량, 선로, 터널, 역사 등 다양한 주요 철도 시설물에 걸쳐 깊이 관계돼 있어 열차의 주행에 의해 발생하는 힘이 공기라는 무형의 매개체를 통해 유형의 시설물에 영향을 끼치는 특징이 있다”고 설명했다.
이어 그는 “차량 특성과 선로 제원에 따른 열차 풍압을 예측, 수립한 선로 중심 간격의 최적화는 노반 폭 뿐만 아니라 터널 단면적과 교량 상판면적의 최적화에도 직간접적인 영향을 끼친다”고 덧붙였다.
터널 진입시 소음 최소화 위해
KTX 탑승 계측기로 연구 진행
궤도 중심 간격이 너무 가까우면 풍압에 의해 열차가 전복되거나 안전사고가 발생할 수 있다고 말하는 남 박사는 “이를 위해 열차 교차 시 열차 풍압을 측정하고 거리에 따른 풍압을 실험을 통해 정략적으로 산출해 내는 연구를 진행하고 있다”고 언급하며, “터널 공력 분야에서는 고속으로 터널 진입 시 발생하는 승객들이 느끼는 이면감이나 환경소음의 일종인 미기압파를 최소화하기 위해 실제로 KTX에 계측기를 갖고 탑승해 터널 단면적 최소화를 이끌어 낼 수 있는 연구를 진행하고 있다”고 소개했다.
연구를 통해 얻을 수 있는 기대효과에 대해 남 박사는 “경쟁력 강화를 위해서는 가장 우선 건설비 절감이 이뤄져야 하는데 선로 중심 간격 같은 경우 철도용지 부지와 관계가 있어 중심 간격 최적화는 용지매입을 위한 비용 절감을 이룰 수 있을 것”이라고 예상하며, “중심 간격을 약 15cm줄일 수 있을 것으로 판단돼 이를 통한 예산 절감이 상당할 것”이라고 강조했다.
