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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 22(2); 2022 > Article
혹한기 철도터널내 콘크리트궤도의 틀림 발생 원인

Abstract

For railway tunnels, concrete tracks are better than gravel tracks in terms of their life cycle cost (LCC), which includes initial construction and maintenance costs. Concrete tracks should have high-quality roadbed corresponding to the high-performance superstructure with high rigidity and high quality. Low-quality concrete tracks are more likely to be damaged due to the uplift deformation of the roadbed. In particular, some sections of railway tunnels where inverted concrete is not installed, misalignment occurs in some cases due to roadbed elevation. Because of these track misalignments, the operation speed of trains is limited in some sections of public railway tunnels, which causes problems in railway operation. Therefore, in this study, track misalignment and floor elevation are measured for a target railway tunnel; the inflow of groundwater is confirmed through drilling. In addition, rainfall and temperature data are analyzed using data from the Korea Meteorological Administration.

요지

철도터널에서 콘크리트 궤도는 초기 건설비 및 보수비를 포함한 생애주기비용(LCC)을 비교할 경우 자갈궤도에 비해 유리하다. 이러한 콘크리트궤도의 노반은 강성이 크고 고품질인 상부구조의 높은 성능에 상응하는 고품질 노반이어야 한다. 저품질의 콘크리트 궤도는 노반의 융기로 인해 궤도 손상을 야기할 가능성이 높다. 특히 인버트 콘크리트가 시공되지 않은 철도터널 일부구간에서 노반 융기로 인해 궤도틀림으로까지 발전되는 사례가 발견되고 있다. 이러한 궤도틀림으로 인해 공용중인 철도터널 일부구간에서 열차운행 속도를 제한하고 있어 철도운행에 문제가 생기는 실정이다. 그리하여 본 논문에서는 대상 철도 터널에서 궤도 틀림량과 바닥면 융기량을 계측하였으며 그 원인으로 판단되는 지하수의 유입여부를 천공을 통해 확인하였다. 또한 기상청 데이터를 통해 강우 및 온도 데이터를 분석하였다.

1. 서 론

궤도강성이 큰 콘크리트궤도는 유지관리에 이로운 점이 많고, 초기 건설비 및 보수비를 포함한 생애주기비용(LCC)을 비교할 경우 자갈도상 궤도에 비해 콘크리트궤도가 유리하다. 따라서 최근에는 철도건설 신설노선에 많이 적용되고 있는 실정이다. 자갈궤도는 정기적인 유지보수를 전제로 건설되고 있으나 콘크리트궤도는 유지보수를 최소화할 목적으로 건설되므로 노반은 강성이 크고 고품질인 상부구조의 높은 성능에 상응하는 고품질 노반이 필요하다. 특히 콘크리트궤도를 지지하는 노반은 자중 및 반복 열차하중에 대하여 장기적인 관점에서 침하 및 변형을 최대한 억제할 수 있는 내구성이 있는 구조이어야 한다.
이러한 고품질의 노반이 동반 안 된 콘크리트 궤도는 노반의 융기로 인해 궤도 손상을 야기할 가능성이 높다. 특히 인버트 콘크리트가 시공되지 않은 철도터널 일부구간에서 노반 융기로 인해 궤도틀림으로까지 발전되는 사례가 발견되고 있다. 이러한 궤도틀림으로 인해 공용중인 철도터널 일부구간에서 열차운행 속도를 제한하고 있어 철도운행에 문제가 생기는 실정이다.
터널내 노반 융기를 일으킨 사례는 Lee et al. (2013) 연구논문에 의하면 여러 나라에서 다양한 유형으로 노반융기 현상을 경험하였다. 융기의 주요 원인은 광물의 팽창, 암반의 압착, 단층파쇄대, 지진, 지하수 고압력, 슬라이딩 등이 있다. 노반 융기를 억제하기 위해서는 인버트콘크리트를 설치하여 라이닝과 폐합하여야 하나 인버트를 설치하지 않는 구간에서 노반 융기가 일어나는 사례가 대부분을 차지한다.
철도터널내 온도변화 사례는 Baek et al. (2014) 연구논문에 의하면 터널터널내 온도변화는 열차운행에 의해 외기온도의 영향을 받으며 입⋅출구부 일정구간은 동결에 대한 대책이 필요하다. 또한 터널 내부의 온도변화는 외기온도의 지속시간과도 연관이 있으므로 지속시간에 따른 터널 내부 라이닝의 동결깊이 및 터널의 단면적 크기와 차량의 통과횟수 등의 일부 영향인자도 외기온도 변화에 영향을 미침으로 이에 대해서도 고려되어야 할 것이다(Andrén and Dahlström, 2008).
궤도틀림이 발생하면 이에 대한 원인조사를 통하여 보수방법을 강구하는데 신규 철도노선이 개통한 지 얼마 되지 않아 콘크리트궤도에서 궤도틀림이 발생한 사례가 발견됐다. 이에 대한 원인분석을 위해 본 논문에서는 궤도틀림으로 문제가 된 철도 터널구간을 현장 계측 및 기상데이터를 분석을 통해 궤도틀림의 원인을 알아보고자 한다.

2. 대상 터널

대상 터널구간은 2011년에 준공되어 공용중인 터널 일부구간을 선정하였다. 총연장 1,423 m, 평면선형(곡선 R = 1,600, R = 5,000, 복심곡선), 환기방식은 자연환기식, 갱문형식(시점부 원통절개형, 종점부 면벽식)으로 이루어져 있는 것을 Fig. 1에 나타내었다.
Fig. 1
Tunnel Drawing
kosham-2022-22-2-179gf1.jpg

2.1 외관 조사

대상 터널에서 들뜸 및 도상콘크리트 파손의 문제가 발생한 구간은 STA.000K543~STA.000K583 곡선 구간(R = 5,000 m)으로 외관조사 결과는 Fig. 2와 같다.
Fig. 2
Visual Inspection
kosham-2022-22-2-179gf2.jpg
외관 조사 결과 바닥콘크리트는 들뜸 등이 없는 전반적으로 건전한 상태이나 바닥콘크리트와 도상콘크리트의 시공이음부 들뜸 현상은(상선-외측 : 2,000 mm, 하선-내측 : 270 mm~520 mm, 하선-외측 : 420 mm~1,000 mm) 대체적으로 외측이 심한 상태로 발생되었고 신축조인트와 인접하여 들뜸 높이가 14 mm 및 균열(파손) 현상이 각 1개소씩 조사되었다.
외관 조사 결과 바닥콘크리트는 들뜸 등이 없는 전반적으로 건전한 상태이나 바닥콘크리트와 도상콘크리트의 시공이음부 들뜸 현상은(상선-외측 : 2,000 mm, 하선-내측 : 270 mm~520 mm, 하선-외측 : 420 mm~1,000 mm) 대체적으로 외측이 심한 상태로 발생되었고 신축조인트와 인접하여 들뜸 높이가 14 mm 및 균열(파손) 현상이 각 1개소씩 조사되었다.

2.2 지반 조건 및 굴착 패턴

대상 터널의 주요손상구간은 연암지층으로 이루어져 있으며, P3 패턴으로 굴착되었다(Fig. 3).
Fig. 3
Major Damage Area
kosham-2022-22-2-179gf3.jpg
손상구간 지반조건은 인접 비 손상 구간보다 양호한 연암지층이었고 굴착패턴 또한 인접 구간(P4~P5)보다 안정적인 P3으로 굴착되었으며 라이닝 콘크리트 타설 전 계측결과가 전반적으로 안정적 수렴상태로 검토 되었으므로 터널 안전성에는 문제가 없다고 판단된다.

3. 궤도틀림 및 융기량 조사

국내에서 허용하고 있는 궤도틀림양은 선로유지관리지침(Table 1)과 같으며, 그 기준과 비교 분석하였다(KR, 2015).
Table 1
High-speed Railway Misalignment Management Standards (KR, 2015)
Management Step Limit Value Note
Misalignment (mm) Standard Deviation
Construction Value
(CV)
N_10 m ≤ 2
N_20 m ≤ 3
Nall ≤ 5
N_SD_10 m ≤ 1.0
N_SD_20 m ≤ 1.3
Target Value
(TV)
N_10 m ≤ 3
N_20 m ≤ 4
Nall ≤ 7
N_SD_10 m ≤ 1.3
N_SD_20 m ≤ 1.7
Warning Value
(WV)
5 ≤ N_10 m < 10
7 ≤ N_20 m < 14
10 ≤ Nall < 18
N_SD_10 m ≥ 1.9
N_SD_20 m ≥ 2.6
Action Value
(AV)
N_10 m ≥ 10
N_20 m ≥ 14
Nall ≥ 18
-
Speed Reduction Value
(SV)
15 ≤ N_10 m < 18
20 ≤ N_20 m < 24
24 ≤ Nall < 30
- 230 km/h
18 ≤ N_10 m < 22
24 ≤ N_20 m < 28
Nall ≥ 30
- 170 km/h
N_10 m ≥ 22
N_20 m ≥ 28
- less than
160 km/h

3.1 궤도 틀림

대상 터널 전 구간에 대해 레일 계획고를 기준으로 종단측량을 시행하였고 손상이 심화된 구간에서는 상, 하행선 레일 4개 지점에서 5 m 간격으로 측량을 수행하였다(Fig. 4, Table 2).
Fig. 4
Comparison by Rail Location
kosham-2022-22-2-179gf4.jpg
Table 2
Rail Displacement based Estimated Level (Unit : mm)
No. Location (STA.000k+)
553 558 563 568 573
Rail 1 3 30 47 44 23
Rail 2 12 43 58 51 11
Rail 3 12 37 42 45 38
Rail 4 10 23 34 34 27
레일면고의 설계값과 실측값을 비교해 보면 최대 변위량(면틀림 양)을 나타내는 000km560~570구간 레일4에서 최소인 34 mm, 레일2에서 최대인 58 mm로 나타났다.
이는 선로유지관리지침 고속철도 최대 기준치 30 mm를 거의 2배 초과한 것으로 나타나 즉각적인 조치가 필요한 수준인 것을 알 수 있다.

3.2 융기량 조사

Fig. 5에서 터널 바닥면의 융기량을 횡단면적으로 분석한 결과 터널 중앙부인 바닥5에서 118 mm로 최대값을 나타내고 있다. 또한 바닥융기 현상의 최대 위치는 000km560~000km570으로 모든 측점의 변위량(융기량)이 제일 많은 것으로 나타났으며, 터널 바닥 횡단면의 각 측정값을 종합적으로 살펴보면 중앙부로 갈수록 융기량이 증가하는 것을 알 수 있다.
Fig. 5
Bottom Surface Heaving
kosham-2022-22-2-179gf5.jpg

4. 궤도틀림 발생 원인

궤도틀림의 원인으로 인버트 콘크리트가 부설되지 않아 바닥 기초 콘크리트와 배수로 측면 사이에 물이 유입되는 것으로 확인되었다. 이로인해 지하수가 콘크리트 보조 도상층(Protection Concrete Layer, PCL)과 도상층(Track Concrete Layer, TCL) 사이에 유입되고 빙결되어 융기 및 궤도틀림 발생에 기여했을 것으로 판단된다.

4.1 지하수 유입 조사

집수정에서 흐르는 물의 유속을 관찰한 결과 대부분의 집수정은 양호한 물의 흐름을 보이고 있으나 일부 지점에서 물이 정체되거나 느리게 관찰되었다. 궤도틀림이 발생한 구간에서 유독 물이 정체되고 느리며, 배수관로가 파손된 곳이 여럿 있었다(Fig. 6).
Fig. 6
Drain Conduit Damage
kosham-2022-22-2-179gf6.jpg
터널 굴착 시 연암으로 확인 개소는 지보재 보강으로 라이닝과 일체화하는 인버트 콘크리트가 설치되지 않았으며, 바닥 기초콘크리트와 배수로 측벽 콘크리트가 맞닿는 부위에서 지하수가 유입되는 것을 확인하였다(Fig. 7).
Fig. 7
Groundwater Inflow at Construction Joint
kosham-2022-22-2-179gf7.jpg
이는 지하수가 콘크리트 보조도상층과 콘크리트 도상층 사이에 유입되는 결과를 초래한다. 그리하여 콘크리트 궤도를 천공하여 지하수의 유입 여부를 확인했다(Fig. 8).
Fig. 8
Bottom Surface Heaving (No.5)
kosham-2022-22-2-179gf8.jpg
확인결과 콘크리트 보조도상 층과 도상 층 사이로 지하수가 유입되어 기초 암반 쪽으로 흐르고 있었다. 이는 가혹한 기온조건과 연계되어 궤도틀림 발생에 기여했을 것으로 판단된다.

4.2 온도 및 강우량 데이터 분석

앞서 확인한 지하수 유입에 혹독한 기온조건이 더해져 콘크리트 궤도 보조도상층과 도상층 사이가 동결이 되어 최종적으로 궤도틀림이 발생했을 것으로 예상되기 때문에 기후조건(강우량 및 대기온도)을 조사/분석 해보고자 한다(Kharseh, 2019). 강우량 및 대기온도의 데이터는 기상청에서 제공하고 있는 데이터를 사용하여 분석하였다.

4.2.1 강우량 데이터 분석

Table 3은 기상청에서 제공하는 대상교량 지역의 월별 강우량 변화 추이이다.
Table 3
Monthly Rainfall Variation
Year Month (mm/month)
December January February Sum
‘10 17.2 2.8 52.9 72.9
‘11 10.3 16.0 5.0 31.3
‘12 47.6 40.5 55.0 143.1
‘13 30.5 10.5 23.6 64.6
‘14 18.8 17.5 32.2 68.5
‘15 27.4 4.5 68.7 100.6
‘16 59.1 10.2 29.5 98.8
‘17 24.0 6.9 23.8 54.7
‘18 30.0 1.0 28.5 59.5
‘19 19.7 68.1 57.4 145.2
2009년 12월 선로개통 이후 이 지역의 강우량을 분석해 보면 2012년 동절기(2012.12.~2013.2.) 누적강우량 143.1 mm로 이례적이라 할 수 있다.
또한, 2012년 동절기에 기록한 누적강우량 143.1 mm의 특이점은 조금씩 여러 날에 걸쳐 내리는 강우량이 아니라 일일 최고 강우량에서도 33.5 mm (2012.12.14. 최저 -8.6 ℃, 최고 3.8 ℃), 31 mm (2013.1.21. -0.4 ℃, 1.5 ℃), 41 mm (2013.2.1. 2 ℃, 8.3 ℃)로 지하수위를 상승시키는 유의미한 데이터로 여겨진다. 이는 배수구 측벽으로 유입되는 지하수량을 증가시킬 수 있다고 판단된다.

4.2.2 온도 데이터 분석

유입된 지하수를 동결시켜 궤도틀림에 문제가 되는 대기의 온도는 Fig. 9와 같이 연도별로 정리하였다.
Fig. 9
Average Temperature by Year
kosham-2022-22-2-179gf9.jpg
2011년 3월 상⋅하선 개통 완료 이후 연도별 평균기온을 살펴보면 궤도틀림이 발생한 2012년 동절기(12.12~13.02)에 유의미하게 온도가 매우 낮은 것을 알 수 있다. 이는 개통 완료 이후 역대 최저 기온을 기록하였을 뿐만 아니라 동절기 내내 영하권에 머물면서 지속적인 한파가 이어졌음을 의미한다. 이로 인해 콘크리트 궤도 보조도상층과 도상층 사이가 동결이 되어 궤도틀림이 발생했다 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 철도터널내 콘크리트 궤도의 틀림 원인 규명하기 위해 외관 조사 및 데이터분석을 진행하였다. 그 결과는 다음과 같다.
  1. 외관조사 결과 바닥 콘크리트와 도상콘크리트의 시공이음부 들뜸 현상이 심하게 발생하였고, 이로인해 궤도 면틀림은 최대 58 mm, 바닥면 들뜸현상은 최대118 mm가 발생함.

  2. 시공이음부에 지하수가 유입되는 것을 확인했으며, 이로인해 콘크리트 보조도상층과 도상층 사이에 유입되는 결과 초래함.

  3. 유입된 지하수가 빙결되어 융기 및 궤도 면틀림을 발생시켰으며, 이는 궤도틀림이 발생한 2012년 동절기에 강우량 및 대기온도가 터널 개통 이후 가장 기상조건이 혹독한 것이 원인이 됨.

콘코리트 궤도의 틀림 원인 분석결과 인버트 콘크리트가 설치되지 않아 시공이음부에 지하수가 유입되어 빙결된 것이 원인이 되었다. 이는 지하수 유입과 빙결에 의한 궤도 틀림을 방지하기 위해선 인버트 콘크리트가 필요한 것으로 판단된다.

References

1. Andrén, A, and Dahlström, L.-O (2008) Temperature flow in railway tunnels and its consequences for operation and maintenance. Rock Machanics Meeting, March 2008, Sweden, pp. 121-130.

2. Baek, S.J, Kim, H.G, Kim, D.S, and Cho, K.H (2014) A study on the characteristic of the railway tunnel frost penetration depth with the variation of outdoor air temperature of frozen ground. Korean Society for Railway, 2014 Autumn Conference.

3. Kharseh, M (2019) Utilize freezing water to generate energy. SN Applied Sciences, Vol. 1, pp. 127.
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4. KR (2015) Track Maintenance Guidelines. Korea National Railway.

5. Lee, C.H, Wang, T.T, Sun, L.J, and Huang, T.H (2013) Invert heaving in operational tunnels - Problems and countermeasures. World Tunnel Congress, 2013, Geneva.
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