[논문]철도 레일빔 설계법에 대한 연구

정혁상

doi:10.14481/jkges.2016.17.1.21

[국내논문] 철도 레일빔 설계법에 대한 연구
Design of the Railbeam Lengths at the Roadbed 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.17 no.1, 2016년, pp.21 - 28

정혁상 (Department of Railroad Civil Engineering, Dongyang University)

초록
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본 논문은 레일빔의 길이 산정에 관해서 지반공학적 측면에서 다룬 내용을 담고 있다. 레일빔은 철도횡단공사에서 가설기간 중에 부등침하 방지 목적으로 레일의 내측과 외측에 설치하는 보강레일을 말한다. 이러한 레일빔은 최근 철도를 횡단하는 지하 구조물의 시공이 증가해서 기존 철도 시설물의 안정에 대응하고자 많이 설치하고 있다. 그러나 레일빔 길이 설계에 관한 기준이 없어 설계에 어려움이 있을 뿐만 아니라 레일빔 길이 부족으로 탈선사고까지 이어지는 경우가 발생하고 있다. 따라서 본 연구에서는 레일빔 길이 산정 방식에 대하여 토사지반과 암반지반으로 분류하여 Flow chart를 제시하였으며 레일 조합 및 위치에 대한 Case study를 실시하여 효과적인 레일의 조합과 위치에 확보할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with contents on the estimation of rail beam from the geotechnical engineering aspect. Rail beam is reinforced rail installed on the inside and outside of rail to prevent differential settlement during the construction period of railroad crossing construction. Such rail beam is frequently being installed to ensure stability of existing railroad facilities because of increasing constructions of underground structures crossing railroad in recent. However, there is a difficulty in design due to lack of design standard on rail beam length. Furthermore, derailing accidents are also occurring as a result of rail beam length shortage. Accordingly, this paper presented flow chart based on the classification into soil ground and bedrock ground for the rail beam length estimation. In addition, case study was conducted on rail combination and location through which effective rail combination and location were ensured.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 철도지하횡단공사 시 레일의 일시적인 침하를 방지하기 위한 용도로 사용되는 레일빔의 길이 산정에 대한 연구를 실시하였다. 지반공학 측면에서 토사지반에서는 Rankine의 활동면을 연장하여 레일빔의 길이를 산정하였고 암반지반의 경우 Tezaghi의 이완 폭으로 레일빔의 길이를 산정하는 방안을 제안하였다.
지반공학 측면에서 토사지반에서는 Rankine의 활동면을 연장하여 레일빔의 길이를 산정하였고 암반지반의 경우 Tezaghi의 이완 폭으로 레일빔의 길이를 산정하는 방안을 제안하였다. 또한 레일빔의 설계 흐름을 제안하였고 레일빔의 조합별 설계법과 레일빔의 위치별 설계법을 제안하여 궤도의 안정성을 확보하고 나아가 열차의 안전운행을 확보하고자 하였다.
레일빔의 조합별 설계법은 레일빔의 가장 효과적인 조합(레일의 개수)을 선정하고 레일의 국부적인 안정성을 확인하기 위해 실시하였다. 연구방법으로 수치해석을 실시하였으며 구조해석 유한요소해석 프로그램인 SAP2000(1997)(ver.
이와 같이 레일빔의 설치 위치가 명확지 않고 기준 또한 마련되어 있지 않아 철도횡단공사 개소마다 다르게 적용하고 있어 이에 대한 영향 검토가 필요하다고 할 수 있다. 따라서 레일빔의 위치별 설계법 연구는 레일빔의 설치 위치에 따른 안정성(침하)을 검토하여 효과적인 설치 위치를 결정하기 위하여 실시하였다. 연구방법으로 직선부와 곡선부에 레일빔의 궤간 내측과 외측에 각각 설치하여 레일의 침하량을 분석하였다.
본 연구에서는 철도지하횡단공사에서 가설기간 중에 부등침하 방지 목적으로 설치하는 레일빔의 길이 산정에 관해서 연구하였다. 레일빔 길이 산정 방식에 있어서 토사지반과 암반지반으로 분류하여 Flow chart를 제시하였으며 레일 조합과 위치에 대한 Case study를 실시하여 효과적인 레일의 조합과 위치에 확보할 수 있었으며 결과를 요약 정리하면 다음과 같다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 철도지하횡단공사 시 레일의 일시적인 침하를 방지하기 위한 용도로 사용되는 레일빔의 길이 산정에 대한 연구를 실시하였다. 지반공학 측면에서 토사지반에서는 Rankine의 활동면을 연장하여 레일빔의 길이를 산정하였고 암반지반의 경우 Tezaghi의 이완 폭으로 레일빔의 길이를 산정하는 방안을 제안하였다. 또한 레일빔의 설계 흐름을 제안하였고 레일빔의 조합별 설계법과 레일빔의 위치별 설계법을 제안하여 궤도의 안정성을 확보하고 나아가 열차의 안전운행을 확보하고자 하였다.
그러나 종전의 레일빔 설계 방식에서는 활동면과 이루는 각은 45°+ø/2로서 동일하나 활동면과 이루는 각의 시점이 횡단구조물의 상부에 위치하여 레일빔 길이가 부족하여 본 설계에서는 횡단구조물 바닥면에서 활동면과 이루는 각이 시작하도록 제안하였다(Fig. 6 참조).
5에 설계 흐름도를 제안하였다. 먼저 토사지반과 암반지반을 분류하고 각각에 맞는 활동영역의 길이를 산정한 뒤 저항영역의 길이를 합산하여 설계를 진행하는 흐름으로 구성하였다.
터널 암반의 이완하중 원인으로는 숏크리트나 록 볼트와 같이 1차 지보재의 지지력 상실과 터널 주변의 근접시공에 의한 지반의 2차 변형 등을 들 수 있다. Terzaghi 암반이완하중 개념을 활용하여 이완 폭을 결정하고 이를 레일빔의 활동영역 길이를 설계법에 적용하였다. Terzaghi 암반이완하중에서 얕은 터널의 경우는 Eq.
4)을 사용하였다. 기존 레일에 레일빔을 1개 설치하고 추가적으로 2개씩 증가시켜 가며 허용 휨 압축응력과 허용 전단응력을 기준치와 비교･분석하였다. 철도설계기준(Korea rail network authority, 2013)에 명시된 허용 휨 압축응력(1,575kgf/cm²)과 허용 전단응력(900kgf/cm²)의 기준을 적용하였다.
철도설계기준(Korea rail network authority, 2013)에 명시된 허용 휨 압축응력(1,575kgf/cm²)과 허용 전단응력(900kgf/cm²)의 기준을 적용하였다. 레일의 개수 증가는 단면 2차 모멘트와 단면계수 증대로 구현하였으며 열차하중은 표준열차하중을 적용하였다.
따라서 레일빔의 위치별 설계법 연구는 레일빔의 설치 위치에 따른 안정성(침하)을 검토하여 효과적인 설치 위치를 결정하기 위하여 실시하였다. 연구방법으로 직선부와 곡선부에 레일빔의 궤간 내측과 외측에 각각 설치하여 레일의 침하량을 분석하였다. 수치해석은 범용 유한요소해석 프로그램인 Abaqus(2004)(ver.
본 연구에서는 철도지하횡단공사에서 가설기간 중에 부등침하 방지 목적으로 설치하는 레일빔의 길이 산정에 관해서 연구하였다. 레일빔 길이 산정 방식에 있어서 토사지반과 암반지반으로 분류하여 Flow chart를 제시하였으며 레일 조합과 위치에 대한 Case study를 실시하여 효과적인 레일의 조합과 위치에 확보할 수 있었으며 결과를 요약 정리하면 다음과 같다.
(3) 제안하는 레일빔 설계에서 토사지반의 경우 Rankine의 활동면을 파악하여 산정하고 암반지반의 경우 Terzaghi의 이완영역을 통해 레일빔의 길이를 산정할 수 있도록 하였고 활동영역과 정착영역을 구분하여 산정할 수 있도록 흐름도를 제안하였다.

데이터처리

레일빔의 조합별 설계법은 레일빔의 가장 효과적인 조합(레일의 개수)을 선정하고 레일의 국부적인 안정성을 확인하기 위해 실시하였다. 연구방법으로 수치해석을 실시하였으며 구조해석 유한요소해석 프로그램인 SAP2000(1997)(ver.11.0.4)을 사용하였다. 기존 레일에 레일빔을 1개 설치하고 추가적으로 2개씩 증가시켜 가며 허용 휨 압축응력과 허용 전단응력을 기준치와 비교･분석하였다.
연구방법으로 직선부와 곡선부에 레일빔의 궤간 내측과 외측에 각각 설치하여 레일의 침하량을 분석하였다. 수치해석은 범용 유한요소해석 프로그램인 Abaqus(2004)(ver.6.5)를 사용하였으며 적용물성은 Table 1과 같으며 해석의 종류는 Table 2와 같다.

이론/모형

A 역 열차 탈선 사고의 경우 탈선 당시 철도지하횡단공사가 진행 중이었으며 선로의 국부적인 침하를 방지하기 위해 레일빔이 설치되어 있었으나, 탈선지점이 레일빔(L=30m) 끝에서부터 탈선이 시작된 것으로 조사되었다. 선로 횡단 지하차도 설치공사의 공법으로 강관추진공법인 Front Jacking 공법(L=91m)이 적용되었으며, 탈선 당시 총 25개의 강관 중 19개의 강관이 굴착 및 압입된 상태에서 노반의 침하가 발생한 것으로 조사되었다. 사고열차는 선로를 운행 시 곡선 선로 일부구간에서 캔트가 급격하게 체감됨으로써 한쪽 차륜이 부상하는 3점 지지 현상의 발생으로 곡선 구간을 통과할 때 부상된 한쪽 바퀴가 원심력에 의해 곡선 외측 레일을 타고 올라 운행하다 열차진행방향 우측(곡선 선로 외측)으로 탈선한 것으로 조사되었다.
기존 레일에 레일빔을 1개 설치하고 추가적으로 2개씩 증가시켜 가며 허용 휨 압축응력과 허용 전단응력을 기준치와 비교･분석하였다. 철도설계기준(Korea rail network authority, 2013)에 명시된 허용 휨 압축응력(1,575kgf/cm²)과 허용 전단응력(900kgf/cm²)의 기준을 적용하였다. 레일의 개수 증가는 단면 2차 모멘트와 단면계수 증대로 구현하였으며 열차하중은 표준열차하중을 적용하였다.

성능/효과

그러나 파괴면의 시작점은 횡단구조물의 하단에 위치하는 것이 옳으며 종래의 설계 방식으로 레일빔의 길이를 산정할 경우는 파괴면의 시작점이 횡단구조물의 하단에 위치하는 것보다 레일빔의 길이보다 더 짧아지게 된다. 또한 레일빔의 길이를 근거없이 일률적으로 20m로 설계하는 경우도 있어 레일빔의 길이 산정에 많은 오류를 가지고 있는 것으로 나타났다. 이렇듯 최근 지하횡단공사에서 레일빔의 길이를 산정함에 있어 활동영역 내에 레일빔이 존재하여 안정성을 확보하지 못하는 것으로 나타났다.
연구결과 레일빔 1개 조합 이상 구성해야 허용응력을 확보하는 것으로 나타났다. 레일 침하의 경우 레일빔의 조합이 증가할수록 침하가 감소하나 조합 5개를 기준으로 감소추세에서 증가 추세로 전환을 알 수 있었다.
연구결과 레일빔 1개 조합 이상 구성해야 허용응력을 확보하는 것으로 나타났다. 레일 침하의 경우 레일빔의 조합이 증가할수록 침하가 감소하나 조합 5개를 기준으로 감소추세에서 증가 추세로 전환을 알 수 있었다. 이는 레일빔 개수 증가에 따른 침하로 보여지며 최적 레일빔의 개수는 구조적 안정성 검토와 침하분석을 통해 5개가 적정한 것으로 분석되었다(Fig.
59mm로서 거의 동일한 침하량을 보였다. 곡선부에 최대 캔트량을 적용하여 좌･우측 레일의 침하량을 상호 비교해 본 결과 Case III은 0.09mm, Case IV는 0.1mm로 부등침하량의 크기가 작은 것으로 나타나 곡선부의 경우 레일빔의 위치에 따른 영향은 없는 것으로 분석되었다.
(2) 현행 레일빔의 설계는 지반의 파괴면 시작점이 횡단구조물의 상단에 위치하고 있어 레일빔의 길이가 부족함을 알 수 있었으며 일부는 레일빔의 길이를 일률적으로 20m로 설계하는 경우도 있어 현재 레일빔의 설계기준 부재에 따른 문제점이 많은 것으로 조사되었다.
(4) 레일빔의 조합별 설계법에서는 레일빔을 1개 이상 구성해야 허용응력을 확보하는 것으로 나타났고 5개 조합에서 침하량이 증가 추세를 보여 레일 5개 조합이 최적 조합으로 분석되었다.
(5) 레일빔의 위치별 설계법에서는 직선부와 곡선부의 침하량이 최대 0.1mm로 부등침하량이 발생하여 곡선부에서 레일빔의 위치에 따른 영향은 없는 것으로 분석되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철도 하부를 통과하는 시설물이 증가하는 원인은 무엇인가?	최근 철도 연장의 확대와 도시의 발달로 인해 철도 하부를 통과하는 시설물이 점차적으로 증가하고 있다. 이렇듯 건설 또는 운행 중인 철도노선을 지하로 횡단하여 도로, 수로, 통신구 및 전력 등의 시설을 설치하는 공법을 철도지하횡단공법이라고 한다.
	안정성 확보가 중요한 철도지하횡단공사의 사고사례에는 무엇이 있는가?	그러나 철도지하횡단공사 시 불확실한 노반의 재료, 최소토피고 부족, 여굴로 인한 침하, 동절기 횡단구조물에 의한 노반의 융기 등의 문제로 레일의 변형이 발생하고 있고 이로 인한 사고사례도 보고되고 있다. 이를 방지하기 위해 철도지하횡단공사에서 가설기간 중에 부등침하 방지 목적으로 레일의 내측과 외측에 설치하는 보강레일을 설치하는데 이를 레일빔이라고 한다.
	철도지하횡단공법이란 무엇인가?	최근 철도 연장의 확대와 도시의 발달로 인해 철도 하부를 통과하는 시설물이 점차적으로 증가하고 있다. 이렇듯 건설 또는 운행 중인 철도노선을 지하로 횡단하여 도로, 수로, 통신구 및 전력 등의 시설을 설치하는 공법을 철도지하횡단공법이라고 한다. 철도지하횡단공법은 철도로 인해 발생한 지역의 단절과 지역의 균형적인 발전을 저해하는 문제점 등을 해결해오고 있다.

참고문헌 (7)

Abaqus (2004), Abaqus Analysis User's Manual, ver.6.5.
Jung, H. S., Park, S. E., Cho, M. J., Min, H. K., Lee, S. D. and Kim, K. S. (2014), A study on the determination of the lengths of rail beams, Proceedings of 2014 Spring Conference of the Korean Society for Railway, pp. 793-799 (in Korean).
Korea rail network authority (2013), Railwaydesign standards, pp. 6-40 (in Korean).
Ministry of land, infrastructure and transport (2013), Railroad accident report, K676 electric train Cheonan station derailment pp. 1-50 (in Korean).
Rankine, W. M. J. (1857), On stability on loose earth, Philosophic Transactions of Royal Society, London, Part I, pp. 9-27.
SAP2000 (1997), SAP2000 Tutorial Manual, ver.11.0.4.
Terzaghi, K. (1946), Rock defects and loads on tunnel support, Rock Tunneling with Steel Supports, eds.R. V. Proctor and T. White, Commercial Shearing Co., Youngstown, Ohio, USA, pp. 15-99.

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