철도 시설물의 동해 방지와 수명연장, 유지보수 예산 절감에 기여할 수 있는 실험과 산정식이 개발돼 눈길을 끌고 있다.
이 연구는 겨울철 철도 시설물의 동상과 융해 피해 방지를 위한 현장실험을 통해 콘크리트도상과 자갈도상에 대한 동결지속 기간별 동결깊이 측정과 더불어 산정식 개발을 목표로 관련 연구가 진행됐다.
또한, 한국건설기술연구원에서 개발한 자갈에 비해 단단하고 열전도율이 1/20 이하인 PE골재를 자갈과 쇄석 대신 아스팔트 혼합물에 섞어 도상이나 하부노반의 동상방지 활용성에 대한 실험도 진행됐다.
특히, 철도 시설물의 동해방지와 수명 연장, 유지보수예산 절감에 기여하기 위해 XPS(Extruded Polystyrene)를 자갈도상 하부노반에 설치했을 경우 동결깊이 감소와 동상량 감소효과 실험도 수행됐다.
동결지수 큰 ‘한랭지 노반층’ 동상 방지 위해
현행 KTX 콘크리트도상 설치기준 보강 필요
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| 겨울철에 동상으로 심하게 비틀어진 궤도(북한 접경 동토지역) |
최근 이상 기후로 겨울철에 한파가 장기간 지속되면서 강원, 경기 북부, 충북, 경북 북부 지방 등 한랭지 재래식 철도의 자갈도상이나 보조도상 또는 노반에 동상이 발생, 레일이 15mm 이상 융기하는 사례가 많이 발생하고 있다.
철도 도상에 동상이 발생할 경우 열차가 서행해야 하고 속칭 ‘자갈치기’라고 해서 도상 하부노반의 흙을 자갈로 치환하는 작업 등 보수작업에 많은 인력이 동원되며, 많은 유지보수 예산이 집행되고 있다.
이 같은 철도 도상의 동상량을 정확히 평가하기 위한 전 단계로 도상 종류별 동결깊이 산정식이 필요하다. 현재 국내에서는 일본의 ‘철도구조물 등 설계표준’에 나와 있는 동결깊이 산정식을 이용하고 있다.
하지만, 일본 ‘철도구조물 설계표준’에서 제시하고 있는 동결깊이 산정식은 다층지반의 열전도율이나 함수비, 잠열 등을 제대로 반영하지 못하고 있다.
이에 이 연구에서는 국내 자갈도상의 동상 피해 사례 파악과 더불어 철원, 태백, 영월, 제천, 연천의 기존 철도 옆에 ‘실험용 자갈도상과 콘크리트도상’을 축조 후 Methylene Blue 동결 심도계와 온도 측정용 센서를 각 층에 설치, 동결지수 변화에 따른 동결깊이 측정 결과 분석이 이뤄졌다.
또한, 단열재로서 ‘XPS’와 ‘PE골재’를 자갈도상 밑에 설치했을 때의 동결깊이와 동상량 감소효과 실험도 진행됐다.
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| PE골재와 다른 건설재료의 열전도율시험 결과 |
자갈도상에서의 단열층 설치 시 동결깊이 감소효과를 살펴보면, 철원의 자갈도상에서 2013년 겨울 측정한 바에 의하면, 자갈도상 밑에 두께 10cm인 XPS를 설치한 결과 최대동결 깊이가 20cm 감소했고, 두께 15cm의 PE골재 혼합 아스콘을 설치한 결과 초기의 동결깊이가 최대 12.5cm 감소하는 효과가 나타났다.
따라서 이 재료들을 실제 자갈도상에 설치할 경우 도상의 동상 감소효과가 나타나 동상피해를 줄일 수 있을 것으로 해석된다.
콘크리트도상에 대한 동결깊이와 동상량 측정 결과를 살펴보면, 2011년 11월부터 2013년 2월까지의 2년 동안 태백, 영월, 제천, 연천, 철원의 콘크리트도상에서 측정 결과 최대 동결깊이가 121cm로 나타났으며, 연천은 최대 동결깊이가 110cm, 제천은 최대 107cm, 철원에서는 124.5cm를 보였다.
동결지수 변화에 따른 동결깊이 변화를 살펴보면, 동결지수가 348°C․day가 될 경우 콘크리트도상 하부에 보조도상 30cm와 입도 조정층 30cm를 설치한 타입에서는 동결깊이가 120cm로 나타났다.
즉, 동결지수가 348°C․day가 되면 콘크리트도상 두께 52.4cm와 보조도상 두께 30cm, 입도 조정층 두께 30cm를 설치하더라도 동결깊이는 이미 이것들 모두를 합한 두께를 뚫고 강화 노반층에 도달했다.
또한, 동결지수가 581.4°C․day일 경우 동결깊이가 124.5cm로 나타나 콘크리트 TCL+HSB(52.4cm) + 보조도상(40cm) + 입도조정층(30cm)를 설치하더라도 동결깊이가 이들 층을 모두 합한 깊이 보다 더 깊게 뚫고 강화 노반층에 도달한다는 점이다.
즉, 현재 적용되고 있는 KTX 콘크리트도상 설치기준을 그대로 적용할 경우 강원도 등 한랭지의 강화노반에서 동상이 발생할 수도 있어 각별한 주의를 필요로 하는 것으로 나타났다. 아울러 태백이나 영월, 철원 등 강원도 북부지방에서는 동결지수가 650℃· day~750℃· day 로 커지는 겨울도 많다는 점을 감안하면, 현행 KTX 콘크리트도상의 설치기준을 보강해야 동상피해를 입지 않을 것으로 나타났다.
따라서 이번 실측 결과를 통해 이 연구에서는 동결지수가 큰 국내의 한랭지역에 KTX용 콘크리트도상 시공 시 보조도상이나 입도 조정층의 두께를 현행 기준보다 증가시켜야만 강화 노반층의 동상피해를 방지할 수 있음을 강조하고 있다.
단, 입도조정층이나 보조도상의 두께를 현행 기준보다 증가시킬 경우 공사비에 큰 영향을 미치게 되므로 KTX 철도 계획 노선 중에서 깎기 구간이면서 물이 상시 나오는 곳이나, 하루 중 반나절 이상 그늘진 곳, 또는 터널 출입구 전후방 20~50m 구간 등 동상에 취약한 지대에서는 입도 조정층이나 보조기층의 두께를 증가시키는 방안을 제시하고 있다.
한편, 이 연구에서는 콘크리트도상 하부 보조도상의 두께별로 동상에 의한 동상량이 어떻게 달라지는지 파악하기 위해 철원 백마고지역 시험 현장 콘크리트도상의 높이 변화를 레벨로 측정했다.
그 결과, 콘크리트도상 하부 보조도상의 두께를 증가시킴으로써 전체 동결깊이를 줄일 수 있고, 나아가 콘크리트도상에 발생하는 동상량도 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
인 / 터 / 뷰
겨울철 자갈 콘크리트궤도
강도별 동결깊이 산정식 개발
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| 김영진 연구위원 |
한국건설기술연구원 Geo-인프라연구실 김영진 연구위원은 “최근 한국과 러시아 간 시베리아 횡단 철도사업을 공동으로 추진하기로 합의한 것과 더불어 중국이 북한의 평양과 신의주를 연결하는 고속철도와 고속도로 건설 계획을 발표하는 등 철도망 건설을 통한 유라시아 교통, 물류의 대동맥을 구축하려는 움직임이 활발하게 전개되고 있다”고 말하며, “하지만, 북한이나 중국, 러시아, 몽골 지역의 철도를 안정적으로 건설하기 위해서는 이들 동토지역의 가혹한 기후와 지형, 지반 특성에 맞는 철도 도상 ․ 노반의 안정적 건설기술 개발이 선행돼야 한다”고 강조했다.
이어 그는 “동토지역의 경우 겨울철이면 기온이 낮아져 땅이 얼면서 지하수를 빨아 올려 지반이 50~70ton/㎡의 큰 힘으로 팽창해 솟아오르는 동상현상이 빈번히 발생하고 있는데 이로 인해 철도 궤도가 비틀어지는 등 열차운행에 많은 지장을 받고 있다”고 밝혔다.
동상피해 차단 등 유지보수비 절감 효과
현재 운용 중인 태백선, 충북선, 경원선, 중앙선 등 재래선 철도에서도 겨울철에 수많은 현장에서 자갈도상이나 노반이 동상피해를 입어 보수담당 직원들의 많은 노력 동원과 많은 보수예산이 지출되고 있다.
이에 이 연구에서는 겨울철 철도 시설물의 동상과 융해 피해 방지를 위한 현장실험과 산정식 개발, XPS 설치를 통한 동상량 감소 효과 실험 등을 수행했다.
김 박사는 “이 연구에서는 현장 실험을 통해 자갈궤도나 콘크리트궤도의 겨울철 추위 강도별 동결깊이 산정식이 개발됐으며, 이와 더불어 PE골재 혼합 아스팔트를 자갈도상 하부 보조도상에 설치했을 때의 동결깊이와 동상량 감소효과 실험 분석, XPS를 자갈도상 하부 보조도상에 설치했을 때의 동결깊이와 동상량 감소효과 실험 분석 등이 진행됐다”고 말했다.
끝으로 김 박사는 이 같은 연구를 통해 얻을 수 있는 효과에 대해 “국내의 재래식 철도 운행 시 겨울철 안정성 증대는 물론 국내 한랭지 KTX 콘크리트궤도 건설 시 동상피해 방지 효과도 거둘 수 있다”고 강조하며, “특히, 북한 철도, 중국 횡단 철도, 시베리아 횡단철도 건설 사업 추진 시 궤도와 노반의 동상피해 차단으로 안정성 증대와 국내 철도 시설물 유지 보수 예산 절감 등의 효과도 거둘 것”이라고 덧붙였다.
