1.1 연구배경 및 목적

국내에서는 2004년 경부고속철도 개통 이후 호남, 수도권 등 고속철도가 잇따라 부설되었다. 고속철도의 여객수송실적은 매년 증가하였으며 수요에 맞춰 철도망 확장에 위한 새로운 노선들이 계획되고 있다(KOTI, 2023). 고속철도 건설비는 일반철도 보다 요구 사양이 높아 여러 노선을 부설하는데 많은 비용이 요구된다. 궤도간 연결을 통해 하나의 고속철도 노선을 여러 노선이 공유한다면 고속철도망 확장을 위한 공사 비용을 절감할 수 있다. 최근 대⋅소도시 지역에서도 인근 고속철도 노선과 연결되는 신설선을 계획하였으며 대표적으로 인천발 KTX, 수원발 KTX 등이 있다(MOLIT, 2021). 궤도간 연결공사 계획의 타당성을 검토하기 위해서는 합리적인 의사결정 도구로 생애주기비용(Life Cycle Cost, LCC) 분석이 필요하다. 궤도간 연결공사에서는 기존에 설치된 일반 궤도를 철거한 후 연결구간에 분기기 궤도를 설치하게 된다. 연결궤도는 일반궤도와 달리 노선간 분기를 위해 분기기 궤도를 사용해야 하며 분기기 및 도상 종류에 따라 생애주기비용이 달라진다. 고속철도망 확장을 위해 연결가능 시나리오를 검토하고 연결궤도 형식에 따라 발생하는 생애주기비용 분석하는 연구가 필요하다.

1.2 연구동향

국외에서는 일본과 유럽을 중심으로 연결궤도 의 주요 구성품인 고속분기기와 콘크리트 도상의 생애주기비용에 대한 연구가 진행되었다. 분기기의 설치 비용은 크로싱 종류, 열차속도에 따라 다르게 나타났으며 환경적 요인 등으로 인해 유지보수비용이 다르게 책정되었다(Hamarat et al., 2019; Karpushchenko and Komardinkin, 2023). 도상 구조물의 경우 자갈을 사용하는 기존 궤도와 달리 콘크리트 도상을 적용하였을 때 생애주기비용 차이를 분석하였다. 그 결과 콘크리트 도상을 적용하였을 때 궤도의 유지비용이 절감되며 사용수명도 1.67~2.40배 이상 긴 것으로 나타났다(Esveld, 2001; Lichtberger, 2011; Michas, 2012; Setiawan, 2016). 이외 자갈도상의 탬핑 횟수, 클리닝 상태 등에 따라 유지보수 비용 및 수명에 영향이 미치는 것으로 나타났다(Loidolt and Marschnig, 2023). 국내에서는 고속선의 발달로 콘크리트 도상의 궤도 도입이 추진되었다. 자갈과 콘크리트 도상을 국내에 적용하였을 때 발생하는 궤도 생애주기비용을 비교하였으며, 그 외 열차 통수톤수 및 자갈 탬핑주기 등의 민감성에 대한 비용 차이 등을 검토하였다(Kim et al., 2003; Baek et al., 2006; Jang, 2016). 기존 문헌들을 조사한 결과 대부분 궤도를 구성하는 구조물 종류에 따라 생애주기비용이 달라지며 이외 환경적 조건, 열차 속도 등 다양한 외부 요인에 의해 달라지는 것으로 조사되었다. 고속선에 적용되는 분기기 및 도상의 종류가 다양하며 연결궤도와 관련된 생애주기비용을 분석한 사례는 현재까지 미흡한 것으로 조사되었다.

1.3 연구내용 및 범위

연결궤도를 구성하는 도상과 분기기 형식에 따라 생애주기비용 또한 달라진다. 도상의 종류는 자갈과 콘크리트 재료로 구분할 수 있다. 분기기는 열차 운영속도에 따라 철자번호(No. 8~46)가 구분되며 레일 길이 및 사이각 등이 결정된다. 본 연구에서 연결궤도 시나리오를 선정하기 위해 국내 고속철도에 부설된 도상 및 분기기 종류를 조사하였다. 도상 형식의 경우 경부고속선에서는 주로 자갈 도상을 사용하였으며 호남 및 수도권 고속선에서는 대부분 콘크리트 도상을 사용하는 것으로 조사되었다. 고속 분기기의 경우 분기점에서 열차 속도 90 km/h 이상 주행이 가능하여야 하므로 철자번호 18.5번(V = 90 km/h)부터 46번(V = 170 km/h)까지 사용하였다. 또한 분기점 열차 주행안정성을 위해 가동형식인 노스가동크로싱(Moveable Point Frog)를 적용한 것으로 나타났다. 따라서 고속선의 도상형식으로 자갈과 콘크리트 모두 사용가능하다. 분기기는 노스가동 크로싱을 적용해야하며 Table 1과 같이 3가지 분기기 번수를 사용할 수 있다.

Table 1

Components in High-Speed Rail Systems

고속철도 연결지점에서는 주로 기본선이 직선인 편개분기 방식을 사용하고 있다. 따라서 철거할 기존 궤도는 직선 선형으로, 신설할 궤도는 분기기 선형으로 설정하였다. 연결궤도 시나리오는 국내 고속철도 도상 및 분기기 부설현황을 고려하여 총 4가지로 구분하였다(Table 2). 기존선이 자갈 도상일 때는 시나리오 1과 2를, 콘크리트 도상일 때는 시나리오 3과 4를 각각 구분하였다. 기존선 철거 후 신설선에는 도상형식에 따라 구분되며 분기기 종류는 18.5번부터 46번까지 고려하였다. 이에 고속철도망 확장을 위한 연결궤도 시나리오별 LCC 분석을 수행하였다.

Table 2

Construction Scenarios for LCC Analysis

2.1 LCC 모델의 구성

LCC를 구성하는 항목은 크게 준비단계, 시공단계, 유지보수단계로 나눌 수 있다(Roh, 2008). 타당성 조사 이후 사업이 시행되면 공사의 준비단계로 설계비와 감리비가 산정된다. 시공 단계에서는 공사에 필요한 직접 비용으로 인건비, 경비, 자재비 등이 산정되며, 그 외에 간접비도 포함된다. 공사가 완료된 이후 시설물의 사용 내구연한까지 유지보수 비용이 매년 소요된다. 하나의 시설물에 대한 생애주기비용을 검토하기 위해서는 공사 준비단계부터 유지보수단계까지 전반적으로 소요되는 총 비용들이 포함되어야 한다.

연결궤도의 생애주기비용(LCC)을 산정하기 위해 아래 Eq. (1)과 같이 정의하였다. 여기서 D는 준비단계(Design Phase), C는 시공단계(Construction Phase), M는 유지보수단계(Maintenance Phase)를 의미한다.

연결공사 시나리오의 설계 조건을 검토한 결과 분기기 종류별 시공길이, 도상별 사용수명 등이 상이하였다. 여기서 사용수명은 미래 비용을 산정할 때 중요한 요소로, 기간 내 예상되는 인플레이션 변화(= 사회적 할인율)가 함께 고려되어야 한다. 따라서 생애주기비용을 분석하기 위해 연결궤도의 검토길이, 사용기간, 사회적 할인율에 대한 가정조건을 다음과 같이 설정하였다.

2.2 연결궤도 검토길이

연결궤도의 시공길이는 분기기 길이에 따라 결정된다. 분기기 설계길이는 철자번호 마다 다르며 기하학적 각부 거리는 Fig. 1, Table 3와 같다. 철도설계지침 및 편람(KR E 03190)에서는 고속철도 구간인 경우 분기기 철자번호 18.5~46번(64.97~154.22 m)까지 설계가 가능하며 노스가동크로싱을 적용하도록 명시되어 있다(Korea National Railway, 2016). 따라서 연결궤도 검토길이는 분기기 최대 시공길이인 154.22 m로 설정하였다. 단 154.22 m 보다 짧은 분기기(18.5번, 26번)의 경우 분기기 궤도 외 구간은 일반 궤도로 설정하였다. 예를 들어 F26은 분기기 궤도는 91.95 m, 일반 궤도는 62.27 m로 설정한 후 LCC분석을 수행하였다.

Fig. 1

Turnout Schematics (Korea National Railway, 2016)

Table 3

Turnout Geometry in High-speed Rail Line (Korea National Railway, 2016)

2.3 사용기간

해외 문헌조사에 따르면 궤도의 주요 구성품인 자갈 도상의 사용수명은 25~30년, 콘크리트 도상은 50~60년으로 조사되었다(Setiawan, 2016). 연결궤도의 사용기간을 동일하게 적용하기 위해서 자갈 도상의 최소 사용수명인 25년을 기준으로 검토하였다.

2.4 사회적 할인율

사회적 할인율은 미래에 발생될 현금을 현재가치로 환산할 때 사용되는 비율을 의미한다. 국내의 경우 한국지방행정연구원에서는 사회적⋅재무적 할인율 변경 및 KTDB (Korea Transport Data Base) 적용 가이드라인을 제시하였다. 해당 자료에 따르면 거시 사회와 경제여건이 성숙함에 따라 단계적으로 사회적 할인율을 인하하였으며 2018년부터 4.50%를 적용하도록 제안하였다(KRILA, 2018). 따라서 본 연구에서는 사회적 할인율 4.50%를 적용하여 유지보수단계에서의 미래 비용을 예측하였다.

3.1 단계별 비용 검토

3.1.1 준비단계

준비단계에서 설계비와 감리비는 시공단계에서 산정된 총 공사비의 요율로 산정된다. 건설 공사비의 요율은 엔지니어링 사업대가의 기준(2021)에 명시되었다. 철도 사업의 경우 총 공사비에 따라 기본, 실시설계, 감리비 항목의 요율이 결정되며 공사비별 요율은 Fig. 2와 같다(MOTIE, 2021). 연결구간 공사비의 경우 분기기 1틀을 기준으로 대략 20~30억의 비용이 소요된다. 예비타당성 조사 보고서에 따르면 총 공사비의 약 2/3 이상 노반 공사비로 발생한다(KDI, 2021). 본 연구에서는 노반공사를 제외한 연결궤도에 대한 공사비만 고려하므로 최저 공사비 10억원 이하의 요율(기본설계 2.93%, 실시설계 4.10%, 감리 1.66%)을 적용하였다.

Fig. 2

Ratio of Construction Process Costs in the Design Phase (%) (MOTIE, 2021)

3.1.2 시공단계

한국개발연구원(KDI)은 사업계획에 대한 적정성을 검증하기 위해 예비타당성을 조사한 후 관련 보고서를 공개하고 있다. 조사 항목 중 하나로 총 사업비를 산출하고 있으며 이때 공종별 단위공사비를 활용하고 있다. 본 연구에서는 최근 KDI에서 발표한 도담~영천 복선전철 건설사업의 단위공사비를 활용하였다(KDI, 2021). 당시 공개된 단위공사비의 경우 간접비가 포함된 비용이였으며 2019년의 단가를 적용하였다. 현재 2024년 물가를 반영하기 위해 재료비와 경비의 항목은 생산자 물가 상승률을, 노무비의 항목은 시중 노임 상승률을 각각 적용하였다. 한국은행 경제통계시스템 자료에 따르면 2019년 대비 생산자 물가지수는 118.04%가 상승하였다. 노무비의 경우 물가정보 통계자료에 따라 시중 노임 일반공사 직종을 기준으로 2019년 대비 130.55% 상승하였다(BOK, 2024; KOSIS, 2024). 이에 2019년 대비 직접비 상승률을 적용하여 현재 2024년 공종별 단위공사비를 추정하였다.

해당 보고서는 분기기 공사시 고정형 분기기 단가를 기준으로, 궤도 철거는 자갈궤도 단가를 기준으로 고려하였다. 고속선에서는 고정형이 아닌 노스가동형 분기기를 설치해야 하며, 기존 콘크리트 궤도를 철거 할 가능성이 높다. 따라서 두 공종의 비용를 고려하여 단위 공사비를 추정하였다. 포항~동해 전철화 사업을 위한 예비타당성조사 보고서에 따르면 고정형 보다 노스가동형 분기기를 사용하였을 때 비용이 약 1.89배 상승하였다(KDI, 2018). 콘크리트 궤도 철거공사는 공사의 난이도, 안전성을 이유로 사례가 많지 않아 단위공사비 추정이 어렵다. 2022년 한국철도기술연구원에서 수행한 보고서에 따르면 궤도를 철거할 때 자갈의 경우 1일, 콘크리트의 경우 10.50일 소요된다(KRRI, 2022). 따라서 콘크리트 궤도 철거공사 단가는 자갈 궤도의 동일 배수로 비용으로 추정하였다.

고속철도에서 궤도간 연결공사를 진행할 때 되도록 기존선 열차운행에 지장을 주지 않아야 한다. 이에 기존선을 차단하지 않고 일일 야간 작업 시간 내 공사를 진행하는 비용으로 검토하였다. 또한 단위공사비용은 물가상승을 고려하여 2024년도를 적용하였으며 노스가동형 분기기 적용과 콘크리트 궤도 철거 비용 등을 추정하여 Table 4와 같이 단위 공사비를 활용하였다.

Table 4

Construction Process Costs in the Construction Phase (2024) (Unit: 1,000 won/meter)

3.1.3 유지보수 단계

최근 한국철도공사에서 보고된 시설업무현황에 따르면 고속철도 연장은 총 1,434 km이다. 고속철도 내 자갈궤도는 43.78%, 콘크리트궤도는 56.22%를 각각 차지하고 있다. 2023년 고속철도 유지보수 예산의 경우 자갈궤도는 130,650 원/m, 콘크리트궤도는 21,610 원/m로 책정되었다(Korail, 2023). 궤도 종류 및 길이별 유지보수비는 Table 5와 같다.

Table 5

Railroad Maintenance Budget (Unit: 1000 won/meter)

완공 이후 시설물 사용기간까지 발생하는 유지보수비용을 예측하기 위해 현재가치법을 사용하였다. 현재 시점 가치의 비용에서 Eq. (2)과 같이 현재가치 환산계수(Present Worth Factor; PWF)를 곱하면 미래시점의 비용으로 환산할 수 있다. 여기서 i는 사회적 할인율, n은 현시점으로부터 미래의 비용발생 시점까지의 기간(년)을 의미한다. 시설물 사용에 따른 25년간 유지보수비용을 산정하기 위해 사회적 할인율 4.50%를 적용하였다.

(2)PWF=1(1+i)n

3.2 생애주기비용 비교

시나리오별 준비단계, 시공단계, 유지보수단계 등을 고려하여 연결궤도의 생애주기비용을 Table 6과 같이 산정하였다. 준비단계 비용은 총 공사비의 요율로 책정됨에 따라 시공단계 비용에 대한 변화를 중심으로 검토하였다. 공사비의 경우 철거 및 신설할 궤도가 모두 자갈 도상일 때 255~331백만원(18.5번~46번 분기기)으로 시나리오 중 가장 낮게 나타났다. 반면 두 궤도가 콘크리트일 때 공사비는 484~561백만원(18.5번~46번 분기기)으로 자갈 도상에 비해 약 2.10~2.43배 높은 것으로 나타났다. 이는 자갈 도상 철거 및 설치 등 단위공사비가 콘크리트 도상에 비해 낮아 총 공사비 또한 감소한 것으로 나타났다. 그러나 25년간 발생하는 연결궤도의 유지보수비용을 합산하였을 때 신설할 분기기 궤도를 기준으로 자갈도상(Scenario 1, 3)일 때 대비 콘크리트 도상(Scenario 2, 4)의 LCC가 약 1.82~2.11배 낮은 것으로 나타났다. 따라서 단기적인 공사비 측면에서는 자갈 도상이 유리하나 장기적인 측면에서 콘크리트 도상을 사용하는 것이 합리적일 것으로 분석된다. 고속분기기의 경우 열차 설계속도에 맞춰 변경되므로 18.5번에서 46번으로 변경시 약 83백만원/1틀에 추가비용이 발생할 것으로 예상된다.

Table 6

LCC by Scenarios (Unit: 1milion won/turnout)

연결궤도 완공 이후 시간에 따른 유지보수비용에 대한 변화를 세부적으로 검토하기 위해 Fig. 3과 같이 나타내었다. 완공까지 소요된 비용은 자갈 도상에 비해 콘크리트 도상으로 설계했을 때 더 높게 나타났다. 그러나 사용기간이 매년 증가할수록 콘크리트 도상의 유지보수비는 최소 0.55%에서 최대 1.75%까지 상승률을 나타낸 반면 자갈 도상은 최소 4.20%에서 최대 7.27%까지 상승률을 나타내었다. 연결궤도를 약 7년 이상 사용하였을 때 자갈 도상이 콘크리트 도상의 생애주기비용을 초과한 것으로 나타났다. 따라서 연결궤도를 콘크리트 도상과 고속 분기기로 설계하는 경우 자갈 도상에 비해 생애주기비용을 절감시킬 수 있는 것으로 판단된다.

Fig. 3

Results of LCC Analysis