북한지역 기후조건을 고려한 철도횡단구조물의 동상방지방안 제시 Proposal for Specification of Counter-measurement in Frost-Heave System in Railway Underpass Box Structures in North Korea Considering Climate Condition원문보기
김문수
(Dept of Railway Construction Engineering, Graduate School of Railway Seoul National University of Science & Technology)
,
조국환
(Dept of Railway Construction Engineering, Graduate School of Railway Seoul National University of Science & Technology)
유라시아이니셔티브의 일환으로 남북철도 연결사업을 실시하고 이를 통한 철도 물류망을 확보할 경우 대한민국은 또다른 경쟁력을 확보하고 이를 바탕으로 한 성장의 한 기틀이 마련될 수 있을 것이다. 남북철도 연결사업에서 철도노반분야의 가장 중요한 부분은 북한철도의 개량 또는 건설이다. 북한의 경우 지질학적으로는 대한민국과 큰 차이를 보이고 있지 않으나 특히 동절기 기후는 큰 차이를 보이고 있다. 동절기 기후에서 가장 철도 운행 안전에 피해를 주는 것은 동상이다. 동상은 선로구조물의 융기를 유발하여 철도차량의 운행안정성에 큰 위험요소로 작용한다. 하지만 대한민국은 북한에 비하여 상대적으로 온화한 기후로 인하여 극한의 조건에 대한 연구가 부족하며, 철도설계기준에도 구체적인 방안이 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 극한조건에서의 철도지하횡단구조물의 동상에 대하여 연구하였으며, 국외기준 분석 및 현장시공을 통한 철도설계기준 개정방안에 대하여 분석하였다.
유라시아 이니셔티브의 일환으로 남북철도 연결사업을 실시하고 이를 통한 철도 물류망을 확보할 경우 대한민국은 또다른 경쟁력을 확보하고 이를 바탕으로 한 성장의 한 기틀이 마련될 수 있을 것이다. 남북철도 연결사업에서 철도노반분야의 가장 중요한 부분은 북한철도의 개량 또는 건설이다. 북한의 경우 지질학적으로는 대한민국과 큰 차이를 보이고 있지 않으나 특히 동절기 기후는 큰 차이를 보이고 있다. 동절기 기후에서 가장 철도 운행 안전에 피해를 주는 것은 동상이다. 동상은 선로구조물의 융기를 유발하여 철도차량의 운행안정성에 큰 위험요소로 작용한다. 하지만 대한민국은 북한에 비하여 상대적으로 온화한 기후로 인하여 극한의 조건에 대한 연구가 부족하며, 철도설계기준에도 구체적인 방안이 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 극한조건에서의 철도지하횡단구조물의 동상에 대하여 연구하였으며, 국외기준 분석 및 현장시공을 통한 철도설계기준 개정방안에 대하여 분석하였다.
As a part of several Eurasian initiatives, the Korean government is trying to reconnect railways through North Korea to the Asian continent. If South Korea could build a network using railway, it would be a chance to develop a robust economic environment and to motivate economic growth. In the railw...
As a part of several Eurasian initiatives, the Korean government is trying to reconnect railways through North Korea to the Asian continent. If South Korea could build a network using railway, it would be a chance to develop a robust economic environment and to motivate economic growth. In the railway reconnection project between North and South Korea, the most important part of the railway roadbed sector is repair or improvement, and then construction of a new line through North Korea. There are not many big differences in the geological conditions; however, climate condition varies greatly during winter. The most significant condition in the safety of railway operation is frost-heaving. However, since South Korea has a relatively mild climate condition compared with North Korea, design and construction specifications under severe weather conditions in winter have not been prepared. This study proposes a plan for revising the railway design standard for underpass structures through an analysis of international standards, leading to site construction to prevent frost-heave.
As a part of several Eurasian initiatives, the Korean government is trying to reconnect railways through North Korea to the Asian continent. If South Korea could build a network using railway, it would be a chance to develop a robust economic environment and to motivate economic growth. In the railway reconnection project between North and South Korea, the most important part of the railway roadbed sector is repair or improvement, and then construction of a new line through North Korea. There are not many big differences in the geological conditions; however, climate condition varies greatly during winter. The most significant condition in the safety of railway operation is frost-heaving. However, since South Korea has a relatively mild climate condition compared with North Korea, design and construction specifications under severe weather conditions in winter have not been prepared. This study proposes a plan for revising the railway design standard for underpass structures through an analysis of international standards, leading to site construction to prevent frost-heave.
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문제 정의
2에 나타난바와 같이 북한과 기후조건이 비슷하고 인접한 중국동북부지역의 고속철도(CRH)의 설계기준을 참고할 필요성이 있었다. 따라서 본 연구에서는 중국 동북부지역의 고속철도 설계 시 사용된 설계기준에 대하여 검토를 실시하였다. 중국기상청 자료를 분석해보면 중국 동북부 지역의 기후특성은 한대지역으로 연평균 영하 0°C 이하의 기온특성을 나타내고 있다.
따라서 국내 동상관련 철도설계기준에는 동결에 관한 구체적인 방지방안이 제시되고 있지 않고 있는 실정이다. 본 논문에서는 극한조건에서의 철도횡단구조물에서의 동상에 대하여 연구하였으며, 국외기준 분석 및 현장시공을 통한 극한조건에서의 동결방지 방안에 대하여 분석하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 향후 북한과의 철도연결 시 예상되는 기후조건 변화에 의한 피해를 예방하기 위하여 기상청의 자료를 바탕으로 대한민국과 북한의 연평균최저기온을 조사하였다. 연평균최저기온을 설명하기 전에 월평균최저기온을 설명하면 해당 월의 일최저기온들의 합을 그 달의 일수로 나눈 것이다.
이에 따라 본 연구에서는 앞서 언급한 바와 같이 북한지역의 기후에 맞는 설계조건 정립을 위하여 1차적으로 가장 동상에 취약한 선로하부 통과구간에 대한 연구를 실시하고 그 방안을 제시하고자 한다.
하지만 통일을 대비하기 위하여 경원선 백마고지-월정리간 철도복원사업의 공사가 발주되어 시공되고 있고, 동해선 포항-삼척간 공사 이후에 북한 철도망과의 연결을 고려하고 있는 등 북한철도와의 연계에 대한 준비가 지속적으로 이루어지고 있다. 현재 정부에서 계획하고 있는 북한 철도와의 연계방안은 1차적으로 응급보수가 필요한 구간에 대한 보수 및 보강을 통한 상호간 운행 재개를 우선적으로 실시하고자 한다. 그 이후에 상호교류가 정착되고 나면 속도향상을 위하여 개량 또는 곡선구간의 직선화 공사를 2단계 사업으로 구상하고 있으며, 향후 궁극적으로는 고속선 등 새로운 건설을 목표로 두고 있다.
제안 방법
따라서 구조물에서의 동상에 의한 피해를 방지하지 못할 것으로 판단되어 Fig. 7(a)와 같이 횡단구조물 내부에 단열재를 시공하여 동상피해를 감소시키는 방안을 구체적으로 검토하였다. 분석 대상이 된 구조물은 경부고속철도 55K687에 위치한 소형횡단구조물이며 크기는 폭 11.
한반도의 기후특성은 대한민국의 경우 강원도 산간지역을 제외한 대부분이 온대기후에 속하며, 북한의 경우 냉대기후 특성이 나타난다. Fig. 1에 나타난 바와 같이 기상청 자료를 활용하여 대한민국 지역의 경우 속초, 홍천, 인제, 대관령, 춘천 등 강원 북부 산간 5개 지역과 북한 지역의 경우 향후 한반도종단철도(TKR)와 중국횡단철도(TCR), 시베리아 횡단철도(TSR)의 연결을 고려하여 혜산, 삼지연, 중강, 강계, 풍산 등 함경도 산간 5개 지역의 20년간 연평균최저 기온을 조사하였다. 그 결과를 분석해보면 대한민국의 강원도 지역 연평균최저기온은 영하 13°C에서 영하 21°C 사이의 기온을 나타내며 영동지역인 속초의 경우는 영하 13°C에서 영하 15°C 사이로 나타났으며 영서지역인 대관령, 인제, 춘천, 홍천 지역의 경우는 영하 15°C에서 영하 21°C의 분포를 보이고 있다.
단열재 시공전의 상·하선(T1, T2)의 동상발생량은 3~8mm로 나타났으며 시공 후에는 동상량이 크게 감소하여 2~4mm로 나타났다. 동상발생량만으로는 정확한 영향을 파악할 수 없기 때문에 해당연도 동결지수와 비교하였다. 단열재 시공 전 최대 동결지수는 177.
동상방지층 비교는 해안가 영향을 고려하여 영종도와 육지로 구분하여 영종도 4개소, 육지 4개소에 대하여 2년에 걸쳐 궤도융기가 반복발생하고 궤도틀림이 큰 개소를 선정하여 시공 전·후의 궤도 융기량을 비교 분석하였다.
이에 따라 본 연구에서는 자갈궤도 하부에 설치된 지하 횡단구조물에 적용가능한 동상방지 방안을 현장시공 사례분석을 통하여 설계기준 개정안을 제안하였다. 아울러 콘크리트궤도인 경우, 북한과 기온특성이 비슷한 중국의 동북부 고속철도설계기준을 참조하여 기준개정안을 제안하였다.
따라서 북한을 포함하여 국내에는 극한 시 지하 횡단구조물 상부노반의 동상방지에 관한 철도설계기준이 특별히 확립되어 있지 않음을 알 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 자갈궤도 하부에 설치된 지하 횡단구조물에 적용가능한 동상방지 방안을 현장시공 사례분석을 통하여 설계기준 개정안을 제안하였다. 아울러 콘크리트궤도인 경우, 북한과 기온특성이 비슷한 중국의 동북부 고속철도설계기준을 참조하여 기준개정안을 제안하였다.
8(b)와 같이 개선된 방안을 제안하였다. 제안된 방법은 선로하부 구조물 상부의 토사를 자갈로 치환하는 것과 유공관 등을 설치하는 것이며 시공순서와 상세한 내용은 다음과 같다. 선로하부 낮은 토피고로 형성된 횡단시설물 상부노반에 대하여 동상방지층 설치 및 치환공사는 운행 중인 철도구간에서 개선공사 시 작업 공간이 협소하고, 단시간 내에 시공이 완료되어야 한다.
Akagawa[4]는 동결융해의 단계를 시간의 경과에 따라 3단계로 나누었다. 초기단계의 동결에서 Ice Cement와 Ice Canding 발생을, 두 번째 단계에서 Ice Lens 생성을, 세 번째 단계에서는 Ice Lens의 분리로 구분하였다. 동상량이 가장 크게 발생되는 두 번째 단계에서 열의 흐름을 적절히 활용하면 동상량을 크게 줄일 수 있다고 분석하였다.
대상 데이터
따라서 그해의 가장 낮은 온도인 연중 최저기온과는 값이 차이가 있다. 대한민국지역의 경우 강원북부지역 중심으로 조사하였으며 북한지역의 경우 만주횡단철도(TMR) 또는 중국횡단철도(TCR)과 연결되는 지역 중 가장 북쪽에 위치하고 있는 북부산간지역을 중심으로 조사하였다.
본 연구대상이 된 공항철도의 김포공항~운서구간 구조물은 동상예방 작업으로 도상 및 배수관로 덮개 설치, 염화칼슘 살포, 구조물 단열재 설치 등을 매년 지속적으로 하였으나 동결지수 300~400°C·day 이상 나타난 혹한조건에서는 동상에 의한 피해가 발생하는 것으로 조사되었다.
본 연구대상이 된 구조물은 2011년 이후 지속적으로 동상에 의한 피해가 발생한 것으로 조사되었다. 본 지하 횡단구조물설계는 Fig.
7(a)와 같이 횡단구조물 내부에 단열재를 시공하여 동상피해를 감소시키는 방안을 구체적으로 검토하였다. 분석 대상이 된 구조물은 경부고속철도 55K687에 위치한 소형횡단구조물이며 크기는 폭 11.8m, 높이 8.6m이다. 토피고가 없이 구조체 상부에 자갈도상 두께 30cm를 두고 있는 실정이다.
국내 일반철도에서의 횡단구조물의 동상발생현황을 살펴보면 Table 2와 같다. 비교 대상은 2009년도 발생현황과 2011년도 발생현황이다. 2009년도는 경부선, 경의선 경원선, 경춘선에서의 동상현상은 나타나지 않았으나 2011년도에 다양한 선구에서 발생하는 것을 알 수 있다.
또한 횡단구조물 주변의 국부적인 배수불량으로 인해 흙속의 물이 결빙되기 때문이다. 이와 같은 이유로 철도구조물 중 동상에 가장 취약한 지하 횡단구조물을 본 연구의 주 연구대상으로 선정하였다. 현재 국내기준에 있는 지하 횡단구조물설계는 자갈도상 및 콘크리트도상 구분 없이 Fig.
데이터처리
선로 동상방지층 시공 전·후에 대하여 궤도검측차(KORAIL Roger1000K)를 이용하여 검측값을 상호 비교하였다.
이론/모형
흙이 어는 깊이는 0°C 이하의 온도와 그 지속시간에 의존한다. 이것을 정량적으로 표시하기 위하여 동결지수(Freezing Index)라는 용어를 사용한다. 동결지수는 포장설계 시 동결깊이를 산정하기 위한 대표적인 척도로써 일평균기온(3시, 9시, 15시, 21시에 측정한 기온의 평균 온도)과 임의의 기준 온도와의 차이를 1일의 기간으로 곱한 것을 말하고 그 단위는 Degree·Day를 사용한다.
성능/효과
2. 횡단구조물에서의 동결대책 방안으로는 자갈도상인 경우 구조물 내부 단열재 보다는 지반개량과 유공관을 이용한 동상방지층 시공이 저감효과가 뛰어남을 알 수 있었다. 지하구조물에서의 동상방지층에 대한 구체적인 방안은 본 연구 결과와 같이 배수를 위한 노반경사를 4%로 조정 및 일체형 방수시트와 유공관 설치 등 동결대책에 대한 설계기준 개정이 필요할 것으로 판단된다.
3. 콘크리트도상인 경우 중국고속철도설계기준을 참고하여보면 선별된 재료의 선정 및 기울기 등 동상방지를 위한 대책이 수립되어 있는데 반하여 국내에는 이와 같은 설계기준이 제정되어있지 않는 것으로 조사되었다. 따라서 국내철도설계기준도 북한 지역 기후요건을 포함하여 동상발생에 취약한 대상에 대한 기준제정이 필요할 것으로 판단된다.
대관령 지역은 842m의 지반고에서 127일의 동결기간이 관측되었다. 관측지점의 지반고가 높고 동결기간이 길수록 동결지수가 큰 것을 알 수 있었다. 동결기간에 따른 동결지수 분석결과 Fig.
그 결과를 분석해보면 대한민국의 강원도 지역 연평균최저기온은 영하 13°C에서 영하 21°C 사이의 기온을 나타내며 영동지역인 속초의 경우는 영하 13°C에서 영하 15°C 사이로 나타났으며 영서지역인 대관령, 인제, 춘천, 홍천 지역의 경우는 영하 15°C에서 영하 21°C의 분포를 보이고 있다.
남·북한의 동결지수도 및 동결기간을 분석해 보면 대한민국 지역의 경우 태백산맥을 따라 영서 지방의 동결지수가 높게 나타나며 북한 지역의 경우 낭림산맥을 따라 개마고원 일대와 함경도 내륙지역 특히 백두산 인근의 삼지연 등의 동결지수가 높은 것으로 나타났으며 이는 지형특성에 따른 고도차에 의한 영향이 있음을 알 수 있다.
단열재 시공 전 최대 동결지수는 177.3°C·day였으며, 시공 후의 최대 동결지수는 233.3°C·day로 시공 전보다 크게 나타났다.
2009년도는 경부선, 경의선 경원선, 경춘선에서의 동상현상은 나타나지 않았으나 2011년도에 다양한 선구에서 발생하는 것을 알 수 있다. 또 하나의 특징으로는 다른 노선과는 달리 영동선과 태백선에서는 동상발생개소가 줄어들었지만 태백선의 경우 그 연장은 증가된 것을 확인할 수 있었다. 이는 강원산간지역에서는 동상에 대한 예방대책이 어느 정도 상시적으로 이루어져 왔기 때문이라고 판단되며, 다른 선구에서는 최근의 온난화 추세로 인해 동상발생이 없었기 때문에 갑작스럽고 지속적인 한파에 미처 대처하지 못했던 것으로 판단된다.
5와 같이 동결방지에 대한 구체적인 사항이 규정되어 있지 않다. 또한 선로하부 횡단구조물 상부에 존재하는 토사의 선정에도 특별히 동상 방지를 위한 제한요건도 없는 것으로 확인되었다. 일반적인 흙쌓기 요건에서도 Table 1과 같이 국내기준에는 0.
북한지역의 지반고에 따른 동결지수를 분석한 결과 삼지연 지역은 백두산에 근접하여 1,386m 지점에서 동결지수는 2,435.8°C·day로 높게 나타났으며 함흥, 청진 등 동해와 근접한 지역에서는 지반고가 낮고 동결지수 또한 낮게 나타나 대한민국 지역의 속초와 비슷한 기온분포를 나타냈다.
횡단구조물에서의 동결대책 방안으로는 자갈도상인 경우 구조물 내부 단열재 보다는 지반개량과 유공관을 이용한 동상방지층 시공이 저감효과가 뛰어남을 알 수 있었다. 지하구조물에서의 동상방지층에 대한 구체적인 방안은 본 연구 결과와 같이 배수를 위한 노반경사를 4%로 조정 및 일체형 방수시트와 유공관 설치 등 동결대책에 대한 설계기준 개정이 필요할 것으로 판단된다.
후속연구
콘크리트도상인 경우 중국고속철도설계기준을 참고하여보면 선별된 재료의 선정 및 기울기 등 동상방지를 위한 대책이 수립되어 있는데 반하여 국내에는 이와 같은 설계기준이 제정되어있지 않는 것으로 조사되었다. 따라서 국내철도설계기준도 북한 지역 기후요건을 포함하여 동상발생에 취약한 대상에 대한 기준제정이 필요할 것으로 판단된다.
그 이후에 상호교류가 정착되고 나면 속도향상을 위하여 개량 또는 곡선구간의 직선화 공사를 2단계 사업으로 구상하고 있으며, 향후 궁극적으로는 고속선 등 새로운 건설을 목표로 두고 있다. 따라서 현시점에서는 향후 건설공사를 대비하여 제한조건을 검토하고 설계 및 시공기준을 먼저 수립함으로써 미래의 북한지역 철도건설에 대한 대비 방안을 준비하여야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유라시아 이니셔티브의 철도 분야의 목적은 무엇인가?
유라시아 이니셔티브에서 철도분야는 실크로드 익스프레스(SRX) 구축과 대륙 철도망 연계가 주요 목적이며, 궁극적으로는 한반도 종단철도(TKR)와 중국철도(TCR), 시베리아 횡단철도(TSR)가 서로 연결되어야 한다. 이를 위해서 먼저 남·북철도 연계 기술 개발이 선행되어야 한다.
동절기 기후에서 철도운행에 가장 큰 지장을 주는것이 동상인 이유는 무엇인가?
동절기 기후에서 철도운행의 안전에 가장 피해를 주는 것은 동상이다. 동상은 선로구조물의 융기를 유발하여 철도차량의 운행에 위험 요소로 작용하고, 해빙기의 융해는 선로의 침하를 유발시켜 유지보수비의 증가를 수반한다. 또한 동결과 융해의 반복으로 인한 분니의 발생은 노반의 강성을 저하시키고 배수를 원할 하지 않게 한다.
북한기후의 특징은 무엇인가?
북한의 경우 지질학적으로는 대한민국과 큰 차이를 보이고 있지 않으나 동절기 기후에서는 대한민국은 최저기온이 강원도의 경우 영하 10~25°C로 관측되고 있는데 반하여 북한의 경우 영하 40°C 정도까지 관측되고 있어 큰 차이를 보이고 있다. 동절기 기후에서 철도운행의 안전에 가장 피해를 주는 것은 동상이다.
참고문헌 (11)
G. Beskow (1947) Soil freezing and frost heaving with special application to road and railroads, The Technical Institute, Northwestern University, Evanston, pp. 130-145.
A. Casagrande (1938) Effect of frost in soils, Permanent International Association of Road Congress, p. 10.
U. S. Army Corps of Engineers (1935) TM 5-818-2 Pavement design for seasonal frost conditions, Departments of the Army and the Air Force, Washington D. C., pp. 1-33.
S. Akagawa (1990) A method for controlling stationary frost heaving, Shimizu Technical Research Bulletin, 9, pp.1-8.
K. Kojima, O. Maruyama, T. Matsumaru, H. Aoki, T. Yamazaki (2006) Application of polystyrene layer to railway subgrade as countermeasure for frost heaving, International conference on geosynthetics, 8(3), pp.849-852.
E.C. Shin, J.J. Park, C.S. Lee (2002) The characteristics of frost heaving pressure on the railroadbed materials, 2002 Spring Conference of the Korean Society for Railway, Jeju, pp. 264-270.
S.S. Kim, Y.M. Park, S.Y. Jung, Y.S. Kim (2001) Strength characteristic transformation of weathered soil caused by freezing-thawing, 2001 Autumn Conference of the Korean Society for Railway, Jeju, pp. 520-525.
C.Y. Han, J.S. Lee, K.H. Cho (2011) The Study about reduction of frost-heaving in railway small structures, 2011 Autumn Conference of the Korean Society for Railway, Jeju, pp. 1119-1135.
C.Y. Choi, K.Y. Eum (2010) Comparative analysis and improvement way of design standards of domestic and foreign about frost heaving, Korea Rail Engineering Association, 111, pp. 99-111.
Korea Rail Network Authority (2013) The Railway Design Criteria(Subbase Volume).
China Traffic Authority (2013) The Railway Design Criteria(Subbase Volume).
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