[논문]공기 압력 제어 덕트를 이용한 철도 터널 내 공기 압력 저감에 대한 수치해석 연구

서상연; 하희상; 이상필

doi:10.7474/tus.2016.26.5.375

[국내논문] 공기 압력 제어 덕트를 이용한 철도 터널 내 공기 압력 저감에 대한 수치해석 연구
A Numerical Study on the Pressure Relief in a Tunnel Using a Pressure Relief Duct 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.26 no.5, 2016년, pp.375 - 383

서상연 (GS건설 기술연구소) , 하희상 , 이상필 (GS건설 기초기술담당)

초록
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최근에는 세계 여러 나라에서 고속철도 건설에 대한 계획이 증가하고 있으며, 국내의 경우 수도권 광역 급행철도(GTX)와 같은 대심도 지하 교통망의 건설이 추진되고 있다. 열차가 고속으로 주행할 경우 발생하는 공기 저항을 최소화하기 위하여 열차의 선두부는 유선형으로 설계된다. 열차가 터널 내로 진입할 때, 터널 내에서 발생하는 공기 저항으로 인하여 열차 내 승객은 이명감과 같은 불편함을 느끼게 된다. 이러한 이명감을 감소시키기 위해서는 터널 내에서 발생하는 공기역학적 특성을 고려하여 터널의 단면적을 선정하여야 한다. 이 연구에서는 터널 내에서 열차의 고속 주행을 위해 필요한 공기 압력 제어 시스템이 이명감 감소에 미치는 효과를 분석하기 위하여 1차원 네트워크 모델링 프로그램인 THERMOTUN을 이용하여 공기압 분포에 대한 1차원 네트워크 수치해석을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

High-speed trains have been developed widely in many countries in order to transport a large quantity of people and commodities rapidly. When a high speed train enters a tunnel, aerodynamic resistance is generated suddenly. This resistance causes micro pressure wave and discomfort to passengers. Therefore, it is essential to incorporate a pressure relief system in a tunnel and streamlined shape of a train in order to reduce aerodynamic resistance caused by a high-speed train. Additionally, the cross-sectional area of a tunnel should be carefully determined to reduce discomfort of passengers. A pressure relief duct and a vertical shaft are representative measures in a tunnel. This study represents the effect of pressure relief ducts in order to alleviate pressure changes within a time period in a tunnel. One-dimensional network numerical simulations were carried out in order to estimate the effect of pressure relief systems.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본선 터널 사이에 설치된 공기압력 덕트는 열차가 터널 내부에서 주행할 때 발생 하는 공기저항을 교행 터널로 전달하여 본선 터널 내부의 공기압력을 감소시키는 역할을 한다. 이 연구에서는 터널 내에서 열차의 고속 주행에 필수적인 공기 압력 제어 시스템의 효과를 평가하기 위하여 공기 압력 제어 덕트가 열차 주행으로 인한 공기 압력 변동량에 미치는 영향을 분석하였다(서상연, 하희상, 2016). 특히 고속열차 터널의 단면적과 공기 압력 제어 덕트의 단면적 및 배치 간격, 열차의 주행속력으로 인한 공기역학적 특성을 분석하기 위하여 1차원 네트워크 수치해석을 수행하였다.

가설 설정

THERMOTUN을 이용하여 터널 내에 발생하는 공기 압력의 변동량을 살펴보고 터널의 단면적 및 덕트의 단면적, 배치 간격, 열차의 주행속도에 의한 영향을 분석 하기 위하여 총 42개의 수치해석 케이스를 설정하였다(Table 4, Table 5). 시뮬레이션에 사용된 터널의 길이는 35 km이며 단선병렬 터널에서 두 열차가 같은 속력으로 교행하는 경우를 가정하였다. 케이스 1부터 24에서는 열차가 터널 내를 350 km/h로 주행하며 케이스 25부터 42에서는 열차가 300 km/h로 주행하는 경우를 가정하였다.
시뮬레이션에 사용된 터널의 길이는 35 km이며 단선병렬 터널에서 두 열차가 같은 속력으로 교행하는 경우를 가정하였다. 케이스 1부터 24에서는 열차가 터널 내를 350 km/h로 주행하며 케이스 25부터 42에서는 열차가 300 km/h로 주행하는 경우를 가정하였다. 본선 터널의 단면적(A_tunnel)은 42.

제안 방법

THERMOTUN을 이용하여 터널 내에 발생하는 공기 압력의 변동량을 살펴보고 터널의 단면적 및 덕트의 단면적, 배치 간격, 열차의 주행속도에 의한 영향을 분석 하기 위하여 총 42개의 수치해석 케이스를 설정하였다(Table 4, Table 5). 시뮬레이션에 사용된 터널의 길이는 35 km이며 단선병렬 터널에서 두 열차가 같은 속력으로 교행하는 경우를 가정하였다.
고속열차 주행을 위한 철도 터널의 최적 단면적을 선정하고 공기 압력 제어 덕트의 압력 저감 효과를 분석 하기 위하여 THERMOTUN을 이용한 1차원 네트워크 수치해석을 수행하였다. 터널 내에서 열차가 주행 시 발생하는 공기 압력의 변동량은 터널의 단면적 결정에 큰 영향을 미치므로 국내외 공기 압력 변동량 기준을 만족 시킬 수 있는 터널 단면에 대한 공기 역학적 분석을 수행하였다.
호남-제주 해저 터널은 터널에서 위험요소 발생 시 승객의 대피로 및 안전성을 확보하기 위하여 단선 병렬 터널로 계획되었다. 또한 공기 압력 감소 및 환기를 위한 수직구를 설치하기가 힘든 해저 터널의 특성을 고려하여 두 단선 병렬 터널 사이에 공기 압력 제어 덕트를 설치하도록 계획되었다. 수치해석의 대상 터널은 쉴드 TBM으로 굴착된 단면적 57.
14 m²는 영불 해저 터널에 적용된 공기 압력 저감 덕트의 단면적이다. 또한 공기 압력 제어 덕트의 간격에 따른 공기 압력 감소 효과를 분석하기 위하여 덕트 사이의 간격 250 m, 275 m, 300 m에 대해 수치해석을 수행하였다. KTX 산천 차량의 경우 기밀도(τ)는 18 이상으로 제작되므로 이 해석에서도 열차 전두부, 중앙부, 후미부의 기밀도를 18로 설정하였다.
이 연구에서는 고속 열차가 터널 내에서 주행 시 발생하는 1초 및 10초간의 공기 압력 변동량을 중심으로 분석을 수행하였다. 본선 터널의 단면적 및 공기 압력 제어 덕트의 단면적, 배치 간격은 터널 시공비에 직접적인 영향을 미치므로 최적 단면적 및 간격은 열차 주행에 필요한 동력비 및 운영비용, 시공비용 등을 고려하여 종합적으로 판단되어야 하며 추후 이에 관련된 추가 연구가 필요하다.
THERMOTUN은 철도 터널에서 발생하는 공기 압력 변동사항을 수치적으로 해석하기 위하여 DTR(Dundee Tunnel Research)에서 개발된 1차원 네트워크 수치해석 프로그램이며 여러 철도터널 설계 및 문헌을 통하여 검증을 받은 프로그램이다(Reinke and Busslinger, 2011). 이 프로그램은 터널을 선으로 표현하는 1차원 네트워크 모델링을 사용하며, 터널 내에서 발생하는 공기의 유동 속도, 주행 중 열차에 작용하는 공기 압력, 정압과 부압으로 인한 압력차이, 열차 주행에 필요한 동력비 등을 계산할 수 있다.
이 분석을 토대로 철도 터널 내에서 열차가 300 km/h로 주행할 수 있는 터널의 단면적과 공기 압력 제어 덕트의 최적 단면적 및 배치 간격을 도출하였다. 이를 통하여 공기압력 제어덕트가 터널 내의 공기압력 변동에 미치는 영향을 분석하였고, UIC 660 및 UIC 779-11 기준을 만족할 수 있는 공기압력제어 덕트의 최적 배치안을 도출하였다. 이 연구에서 얻어진 결과를 정리하면 다음과 같다.
고속열차 주행을 위한 철도 터널의 최적 단면적을 선정하고 공기 압력 제어 덕트의 압력 저감 효과를 분석 하기 위하여 THERMOTUN을 이용한 1차원 네트워크 수치해석을 수행하였다. 터널 내에서 열차가 주행 시 발생하는 공기 압력의 변동량은 터널의 단면적 결정에 큰 영향을 미치므로 국내외 공기 압력 변동량 기준을 만족 시킬 수 있는 터널 단면에 대한 공기 역학적 분석을 수행하였다. 이 분석을 토대로 철도 터널 내에서 열차가 300 km/h로 주행할 수 있는 터널의 단면적과 공기 압력 제어 덕트의 최적 단면적 및 배치 간격을 도출하였다.
터널 안에서 열차의 고속주행으로 인하여 발생하는 공기 압력의 크기 및 변동량을 수치해석을 통하여 분석 하기 위하여 호남-제주 해저 터널 가상 설계안을 바탕으로 터널을 모델링하였다. 호남-제주 해저 터널은 터널에서 위험요소 발생 시 승객의 대피로 및 안전성을 확보하기 위하여 단선 병렬 터널로 계획되었다.
열차 주행으로 인하여 발생하는 정압 및 부압으로 인한 압력 차이를 예측하기 위하여 수치해석 방법이 주로 사용된다(Reinke and Busslinger, 2011). 터널을 1차원 네트워크로 모델링하는 1차원 수치해석으로도 충분히 신뢰할만한 압력차 해석이 가능하며, 이 연구에서 1차원 네트워크 수치해석 모델링 프로그램인 THERMOTUN을 이용하여 고속열차 주행 시 터널 내부에 발생하는 압력차를 계산하였다.
이 연구에서는 터널 내에서 열차의 고속 주행에 필수적인 공기 압력 제어 시스템의 효과를 평가하기 위하여 공기 압력 제어 덕트가 열차 주행으로 인한 공기 압력 변동량에 미치는 영향을 분석하였다(서상연, 하희상, 2016). 특히 고속열차 터널의 단면적과 공기 압력 제어 덕트의 단면적 및 배치 간격, 열차의 주행속력으로 인한 공기역학적 특성을 분석하기 위하여 1차원 네트워크 수치해석을 수행하였다.
터널 안에서 열차의 고속주행으로 인하여 발생하는 공기 압력의 크기 및 변동량을 수치해석을 통하여 분석 하기 위하여 호남-제주 해저 터널 가상 설계안을 바탕으로 터널을 모델링하였다. 호남-제주 해저 터널은 터널에서 위험요소 발생 시 승객의 대피로 및 안전성을 확보하기 위하여 단선 병렬 터널로 계획되었다. 또한 공기 압력 감소 및 환기를 위한 수직구를 설치하기가 힘든 해저 터널의 특성을 고려하여 두 단선 병렬 터널 사이에 공기 압력 제어 덕트를 설치하도록 계획되었다.

대상 데이터

또한 공기 압력 감소 및 환기를 위한 수직구를 설치하기가 힘든 해저 터널의 특성을 고려하여 두 단선 병렬 터널 사이에 공기 압력 제어 덕트를 설치하도록 계획되었다. 수치해석의 대상 터널은 쉴드 TBM으로 굴착된 단면적 57.25 m²의 원형 터널이며 수치해석을 위한 터널의 길이는 35 km로 설정하였다. 터널 내 열차는 KTX 산천 차량을 대상으로 하였으며 터널 및 열차에 관한 상세 모델링 정보는 Table 3에 나타내었다.
영국과 프랑스를 연결하는 영불 해저 터널의 경우 열차 주행으로 발생하는 공기 압력을 감소시키기 위하여 상행선과 하행선 터널을 연결하는 공기 압력 제어 덕트(Pressure relief duct)를 설치하였다(Southwood, 1994). 영불 해저 터널에 적용된 공기 압력 제어 덕트는 단면적 3.14 m²의 원형 덕트이며 본선 터널 사이에 250 m 간격으로 설치되었다(Fig. 1). 본선 터널 사이에 설치된 공기압력 덕트는 열차가 터널 내부에서 주행할 때 발생 하는 공기저항을 교행 터널로 전달하여 본선 터널 내부의 공기압력을 감소시키는 역할을 한다.
25 m²의 원형 터널이며 수치해석을 위한 터널의 길이는 35 km로 설정하였다. 터널 내 열차는 KTX 산천 차량을 대상으로 하였으며 터널 및 열차에 관한 상세 모델링 정보는 Table 3에 나타내었다. Fig.

성능/효과

1. 열차 주행 시 1초 및 10초간 발생하는 공기 압력 변동량은 열차의 주행속도 및 본선 터널의 단면적, 공기 압력 제어 덕트의 단면적 및 배치 간격에 따라 큰 변화를 보인다. 모든 해석 케이스에서 UIC 779-11과 UIC 660의 1초간 공기압력 변동량 기준을 만족시켰다.
1에 나타난 바와 같이 터널 내 공기 압력 변동량은 열차의 주행속도 및 터널의 단면적, 덕트의 단면적, 덕트의 간격 등에 영향을 크게 받는다. 1초간 압력 변동량의 경우 모든 경우에 있어 UIC 779-11의 기준(1 kPa in 1s)과 UIC 660의 기준(0.5 kPa in 1s)을 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 10초간 압력 변동량은 터널 및 덕트의 조건에 따라 UIC 660 기준을 만족시키지 못하는 경우가 발생하였다.
3. 단면적이 57.25 m²인 호남-제주 해저 터널의 경우 열차가 350 km/h로 주행하더라도 UIC 779-11의 10초간 공기 압력 변동량 기준을 만족시킨다. 그러나 열차의 주행속도가 350 km/h인 경우 공기 압력 제어 덕트의 단면적을 증가시키고 배치 간격을 좁히더라도 UIC 660의 10초간 변동량 기준은 만족시킬 수 없는 것으로 분석되었다.
덕트의 면적이 증가하거나 덕트 간 설치 간격이 감소할 경우 공기 압력 변동량의 크기는 감소한다. 따라서 UIC 660 및 국내의 압력 변동 기준을 만족시키기 위해서는 고속 열차가 터널 안에서 300 km/h로 주행 시 터널의 단면적은 57.25 m² 이상이어야 하며, 단면적 0.7 m²이상의 공기 압력 제어 덕트를 300 m 이하의 간격으로 배치하는 것이 합리적 것으로인 판단된다. 덕트의 단면적과 배치 간격은 터널 시공비에 직접적인 영향을 미치므로 최적 단면적 및 간격은 열차 주행에 필요한 동력비 및 운영비용, 시공비용 등을 고려하여 종합적으로 판단되어야 한다.
열차 주행 시 1초 및 10초간 발생하는 공기 압력 변동량은 열차의 주행속도 및 본선 터널의 단면적, 공기 압력 제어 덕트의 단면적 및 배치 간격에 따라 큰 변화를 보인다. 모든 해석 케이스에서 UIC 779-11과 UIC 660의 1초간 공기압력 변동량 기준을 만족시켰다. 그러나 열차의 주행속도가 350 km/h인 경우 UIC 660의 10초간 압력 변동량 기준을 만족시키지 못하였다.
터널 내에서 열차가 주행 시 발생하는 공기 압력의 변동량은 터널의 단면적 결정에 큰 영향을 미치므로 국내외 공기 압력 변동량 기준을 만족 시킬 수 있는 터널 단면에 대한 공기 역학적 분석을 수행하였다. 이 분석을 토대로 철도 터널 내에서 열차가 300 km/h로 주행할 수 있는 터널의 단면적과 공기 압력 제어 덕트의 최적 단면적 및 배치 간격을 도출하였다. 이를 통하여 공기압력 제어덕트가 터널 내의 공기압력 변동에 미치는 영향을 분석하였고, UIC 660 및 UIC 779-11 기준을 만족할 수 있는 공기압력제어 덕트의 최적 배치안을 도출하였다.

후속연구

그러나 덕트의 단면적을 증가시키고 배치 간격을 좁히더라도 UIC 660 기준은 만족하지 못하는 것으로 분석되었다. 따라서 터널 내에서 열차가 350 km/h의 속력으로 주행할 경우 본선 터널의 단면적을 증가시키거나 공기 압력 제어 덕트를 설치함으로써 UIC 779-11의 공기 압력 변동량 기준을 만족시킬 수 있으나, UIC 660의 기준은 만족시키지 못하므로 다른 방안이 필요할 것으로 판단된다.
이 연구에서는 고속 열차가 터널 내에서 주행 시 발생하는 1초 및 10초간의 공기 압력 변동량을 중심으로 분석을 수행하였다. 본선 터널의 단면적 및 공기 압력 제어 덕트의 단면적, 배치 간격은 터널 시공비에 직접적인 영향을 미치므로 최적 단면적 및 간격은 열차 주행에 필요한 동력비 및 운영비용, 시공비용 등을 고려하여 종합적으로 판단되어야 하며 추후 이에 관련된 추가 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고속열차의 이명감과 미기압파 같은 문제점을 해결하기 위한 노력은?	이렇게 터널에 진입하는 고속열차는 열차에 작용하는 공기 압력의 변동으로 인하여 이명감과 미기압파 같은 문제점이 발생한다(UIC, 2002). 이명감의 경우 차량 자체의 기밀도를 높여 열차 외부와 내부의 압력 차이를 감소시켜 문제를 해결할 수 있고, 미기압파의 경우 실험 및 수치해석 등 여러가지 방안을 통하여 미기압파를 감소시키는 연구가 수행되고 있다(UIC, 2005).
	고속열차의 빠른 속도로 인하여 철도 노선의 선형이 제한됨으로 생기는 문제점?	국내에서 개발된 KTX-I 차량의 경우 시속 300 km/h 로 운행이 가능하며 KTX-II 산천 차량은 350 km/h로 주행할 수 있다. 이러한 고속열차는 빠른 속도로 인하여 철도 노선의 선형이 제한되므로 고속철도 구간은 일반 철도 노선에 비하여 많은 교량과 터널의 건설이 필요하다. 개활지를 주행하던 고속열차가 터널 구간을 통과하는 경우 터널 내에서 여러 공기역학적인 문제가 발생한다.
	고속철도가 각광 받는 이유는?	최근 열차 차량 기술이 발달되고 빠른 운송 수단에 대한 요구가 증가하면서 많은 고속 철도 프로젝트가 계획되고 있다. 특히 고속철도는 차량에 비해 친환경적이며 많은 수의 승객과 물류를 빠르게 운송할 수 있기 때문에 국내는 물론 해외에서도 효과적인 운송수단으로 각광을 받고 있다. 고속 열차와 관련된 인프라가 발전된 유럽과 일본을 비롯하여 미국과 중국에서도 고속철도 건설 계획이 증가하고 있다.

참고문헌 (10)

김선홍 외, 2015, 철도터널 설계를 위한 최신기준 및 방침 사항에 대한 고찰, 유신기술회보, 21, pp. 151-152.
서상연, 하희상, 2016, 호남-제주 해저터널 가상설계의 공기압력 제어 덕트가 열차 주행에 미치는 영향에 대한 수치 해석 연구, Journal of the Korean Geo-Environmental Society, 17(8), pp. 17-27

원문보기 상세보기
Atkins, W. S., 1999, Piston relief ducts for AlpTransit Gotthard, The Channel Tunnel Experience, Institution of Engineering and Technology, Conference Publication (Book 433), pp. 20-23.
Barthes, H., Bordas, A. and Bouillot, D. (1994), "Tunnels - special works", Proceedings of the Institution of Civil Engineers, The Institution of Civil Engineers, Engineering Channel Tunnel, Part 3: French Sectoin, pp. 63-75.
Fairbairn, A. G. (1995), Tunnel ventilation, including aerodynamic", Proceedings of the Institution of Civil Engineers, The Institution of Civil Engineers, Engineering Channel Tunnel, Part 4: Transport Systems, pp. 32-41.
Henson, D. (1995), Aerodynamics, Ventilation and Cooling the tunnel, "Engineering the Channel Tunnel, Kirkland, J., E&FN SPON/EUROTUNNEL, pp. 217-220.
Reinke, P., and Busslinger, A. (2011), Improvement of aero and thermodynamics of rail tunnels by cross-connections with shut-off devices, Research 2011, HBI Haerter Ltd., Swiss, pp. 38-43.
Southwood, A. J., (1994), The Channel Tunnel : A Designer's Perspective, A. J., Mott MacDonald, pp. 11-13.
UIC. (2002), Measures to ensure the technical compatibility of high-speed trains, Technical document, Railway Technical Publications UIC leaflet 660, pp. 28-29.
UIC. (2005), Determination of railway tunnel cross-sectional area on the basis of aerodynamic considerations, Technical document, Railway Technical PublicationsUIC leaflet 779-11, pp. 13-15.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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