[논문]운행선 근접공사 시 작업자 안전확보를 위한 철도선로용 안전펜스 개발

성덕룡; 박성현; 이중화

문제 정의

KTX열차가 350 km/h로 주행 시 발생하는 열차풍압이 국내 열차종류 중 가장 큰 열차풍압이며, 철도선로용 안전펜스의 구조적 안전성을 검토하기 위해 본 연구에서 이에 대한 검토를 수행하였다. 열차풍압은 철도선로용 안전펜스가 발생 가능한 경우를 고려하여 선로내측에서 외측으로 발생시(CASE 1), 선로외측에서 내측으로 발생시(CASE 2), 레일길이방향으로 발생시(CASE 3)로 구분하여 검토하였으며, 그 결과를 [표 5]에 정리하여 나타내었다.
따라서 본 연구에서는 철도교통사상사고를 최소화하고, 운행선 근접공사 시 작업자 안전을 확보할 수 있는 철도선로용 안전펜스를 개발하고자 하였다.
철도선로용 안전펜스는 레일고정형이며, 국내 철도에서는 레일을 AF궤도회로로 사용하고 있어 레일에 거치되는 시설물은 레일에 흐르는 전류에 영향을 미쳐서는 안된다. 따라서 철도선로용 안전펜스의 레일고정클램프에 사용한 소재(MC Nylon)가 레일에 흐르는 전류에 영향을 미치는지를 확인하기 위해 전기저항시험을 시행하였다. 전기저항시험은 KRS TR 0014-15R에서 규정한 레일체결장치 전기저항시험에서 제시한 시험 조건을 준용하여 진행하였고, 한국화학융합시험연구원에서 수행하였다.
본 구조해석에서는 철도선로용 안전펜스에 적용한 재료의 구조적 안전성과 열차풍압으로 인해 발생하는 안전펜스의 변위량이 열차운행에 지장을 주는지에 대한 검토를 위해 수행하였으며, 3가지 경우에 대한 하중재하조건에 따른 구조해석결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 운행선 근접공사 시 작업자 및 철도 보선원들의 안전과 철도운행 안전을 확보해줄 철도선로용 안전펜스를 개발하였다. 철도선로용 안전펜스를 개발하기 위해 철도선로에 적용하기 위한 요구조건을 분석하여 구성품의 재료를 선정하고 설계하였으며, 도면검토를 통한 국내 대표 레일종류에 대한 적용성 검토, 직·곡선 적용성 검토, 수치해석을 통한 열차풍압에 대한 구조적안전성 검토, 실내시험을 통한 안전성 검토를 수행하였다.

제안 방법

「선로중심간격 및 시공기면폭 결정을 위한 제반연구, 한국철도기술연구원, 2007.6.」을 참고하여 열차풍에 대한 하중조건을 산정하였다.
국내에서 운행되고 있는 대표적인 열차종류(KTX, KTX-Ⅱ, 디젤열차, EMU, 구형전동차, 신형전동차)들에 대하여 직·곡선부에 철도선로용 안전펜스를 설치할 경우 이격거리를 검토하였다. 검토방법은 열차종류별 정면도를 이용하여 레일 종류별(60E1, 60 kg/m, 50 kg/m) 단면을 적용하였고, 철도선로용 안전펜스를 적용하였을 경우 열차측면과 이격거리를 확인하는 것으로 하였다.
국내에서 대표적으로 사용되고 있는 레일종류(50 kg/m, 60 kg/m, UIC60 & 60E1 레일)에 대한 적용성을 레일단면 및 레일고정클램프 단면을 일치시켜 검토하였다(그림 11 참조).
국내에서 운행되고 있는 대표적인 열차종류(KTX, KTX-Ⅱ, 디젤열차, EMU, 구형전동차, 신형전동차)들에 대하여 직·곡선부에 철도선로용 안전펜스를 설치할 경우 이격거리를 검토하였다.
기존연구결과 UIC 779-1의 이론식을 이용한 계산결과가 현장시험결과와 약 2.5배의 차이를 가지는 것으로 나타났으며(이론식>현장시험결과), 본 연구에서는 열차의 형상, 속도, 열차주행 시 작업자의 안전 확보 등 안전적인 측면을 고려하여 이론식에 의한 풍압을 하중조건으로 선정하였다.
내구성시험은 레일고정클램프를 레일에 고정시킨 후 건축한계제어용 수직빔의 120 mm 이격된 지점을 시험장비와 수직으로 연결하여 하중을 재하하였다.
건축한계는 열차 및 차량이 선로를 운행할 때 주위에 인접한 건조물 등이 접촉하는 위험성을 방지하기 위하여 일정한 공간으로 설정한 한계를 말하고, 차량한계는 철도시설과 접촉시키지 않게 하기 위해 선로상에 차량이 정위치할 때의 차량의 크기를 제한한 범위를 말한다. 따라서 철도선로용 안전펜스 설치 시 건축한계 및 차량한계와의 이격거리를 검토하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
열차주행 시 풍하중 및 레일변위로부터 안전펜스는 계속해서 진동하게 되며, 레일과 연결되는 레일고정클램프 및 연결부가 반복적인 하중에 견딜 수 있는지를 확인하기 위해 아래 그림과 같은 시험편을 제작하여 내구성시험을 실시하였다.
KTX열차가 350 km/h로 주행 시 발생하는 열차풍압이 국내 열차종류 중 가장 큰 열차풍압이며, 철도선로용 안전펜스의 구조적 안전성을 검토하기 위해 본 연구에서 이에 대한 검토를 수행하였다. 열차풍압은 철도선로용 안전펜스가 발생 가능한 경우를 고려하여 선로내측에서 외측으로 발생시(CASE 1), 선로외측에서 내측으로 발생시(CASE 2), 레일길이방향으로 발생시(CASE 3)로 구분하여 검토하였으며, 그 결과를 [표 5]에 정리하여 나타내었다.
철도선로용 안전펜스 전기저항시험은 다음과 같이 시행하였으며, 1.2m의 레일에 레일고정클램프 2set를 고정하여 설치하였다.
철도선로용 안전펜스를 개발하기 위해 철도선로에 적용하기 위한 요구조건을 분석하여 구성품의 재료를 선정하고 설계하였으며, 도면검토를 통한 국내 대표 레일종류에 대한 적용성 검토, 직·곡선 적용성 검토, 수치해석을 통한 열차풍압에 대한 구조적안전성 검토, 실내시험을 통한 안전성 검토를 수행하였다.
하중재하조건은 KTX열차가 350 km/h로 주행 시 발생하는 열차풍압(q1k =1,800 Pa)을 다음과 같이 3가지 경우로 구분하여 철도선로용 안전펜스에 재하하는 것으로 하였다.

대상 데이터

따라서 철도선로용 안전펜스의 레일고정클램프에 사용한 소재(MC Nylon)가 레일에 흐르는 전류에 영향을 미치는지를 확인하기 위해 전기저항시험을 시행하였다. 전기저항시험은 KRS TR 0014-15R에서 규정한 레일체결장치 전기저항시험에서 제시한 시험 조건을 준용하여 진행하였고, 한국화학융합시험연구원에서 수행하였다.

이론/모형

UIC 779-1 수식에 따른 철도선로용 안전펜스의 a_g를 적용하여 열차풍압을 계산하였다. 기존연구결과 UIC 779-1의 이론식을 이용한 계산결과가 현장시험결과와 약 2.

성능/효과

1) 레일고정클램프를 폭 조절이 가능하도록 설계함으로써 국내 고속철도, 일반철도, 광역철도에서 대표적으로 사용되고 있는 레일종류(50 kg, 60 kg, 60E1, UIC60 레일)에 모두 적용이 가능함을 확인하였다.
2) 직·곡선부에서 철도선로용 안전펜스와 국내 열차종류들에 대한 이격거리를 검토한 결과, KTX열차의 경우 129~356 mm, KTX-Ⅱ열차의 경우 377~604 mm, 디젤열차의 경우 164~390 mm, EMU열차의 경우 224~451 mm, 구형전동차의 경우 219~446 mm, 신형전동차의 경우 224~451 mm 이격되는 것으로 검토되어 국내 열차종류에 대한 철도선로용 안전펜스는 직·곡선부 모두 적용 가능한 것으로 검토되었다.
2004~2013년 연도별 철도교통사고 사망자수 및 부상자수는 계속적으로 감소하고 있으나, 원인별 철도교통사고는 총 2,826건 중 자살자를 제외한 교통사상사고가 1,449건인 51.3%로 가장 높게 나타났다. 2004~2013년 교통사상사고 원인을 분석한 결과 열차에 뛰어듬(자살), 선로근접 및 무단통행, 승하차시 넘어짐, 부주의한 행동, 출입문에 끼임 등의 순으로 교통사고 발생이 많게 발생하였다.
3) 건축한계 및 차량한계와 철도선로용 안전펜스간 이격거리 검토결과, 건축한계와 안전펜스간 이격거리는 직선부에서는 10 mm, 곡선부에서는 9 mm인 것으로 분석되었으며, 건축한계 밖으로 철도선로용 안전펜스를 설치하고자 할 경우에는 안전펜스의 최대폭으로 설정해야 하고, 안전펜스를 최소폭으로 설정 시에도 차량한계를 침범하지 않는 것으로 분석되었다.
4) 수치해석을 통해 KTX열차가 350 km/h로 주행 시 발생하는 열차풍압에 의한 철도선로용 안전펜스의 횡방향 변위 검토 결과, 선로외측으로 9.03 mm, 선로내측으로 9.66 mm의 최대변위가 발생하였고, KTX열차와 안전펜스의 이격거리가 129~329 mm임을 고려할 때 충분한 안전거리를 확보하고 있는 것으로 분석되었다. 또한, 열차풍압에 의한 응력 검토결과, PART 1의 변곡점에서 약 54~58 MPa의 최대응력이 발생하였으며, PART 1에 사용된 SPP의 인장강도가 420 MPa임을 고려할 때 충분한 안전율(7.
5) 최종 완성된 시제품에 대한 실내시험(레일고정클램프 전기저항시험 및 내구성시험)을 통해 직·교류(AF회로) 구간에 사용 가능하며, 국내 KTX열차가 일일 평균 60회를 운행할 경우, 년간 약 100만회의 반복하중이 작용하고, 국내 KTX운행구간에 1년간 설치하더라도 파손없이 사용할 수 있음을 확인하였다.
KTX열차가 350 km/h로 주행 시 발생하는 열차풍압에 의한 CASE 1, CASE 2, CASE 3에 대한 변위 검토결과, 최대발생변위는 선로외측으로 9.03 mm, 선로내측으로 9.66 mm가 발생하였고, KTX열차와 안전펜스의 이격거리가 129~329 mm임을 고려할 때 충분한 안전거리를 확보하고 있는 것으로 분석되었다.
따라서 철도선로용 안전펜스 레일고정클램프 연결부는 국내 열차통과 시 발생하는 레일변위 및 열차풍압에 의한 거동에 안전하며, 국내 KTX운행구간에 1년간 설치하더라도 파손없이 사용할 수 있음을 확인하였다.
따라서, 검토된 열차종류에 대해 본 연구개발제품인 철도선로용 안전펜스는 직선부, 곡선부 모두 적용 가능한 것으로 검토되었다.
따라서, 레일과 고정되는 클램프 A는 고정형이며, 클램프 B는 너트 및 와셔를 통해 폭 조절이 가능하도록 설계함으로써 국내 고속철도, 일반철도, 광역철도에서 대표적으로 사용되고 있는 레일 종류(50 kg, 60 kg, 60E1, UIC60 레일)에 모두 적용이 가능한 것으로 검토되었다.
또한, KTX열차가 350 km/h로 주행 시 발생하는 열차풍압에 의한 CASE 1, CASE 2, CASE 3에 대한 응력 검토결과, 약 54~58 MPa의 응력이 발생하였으며, 허용 인장강도가 420 MPa임을 고려할 때 충분한 안전율(7.2이상)을 확보하고 있는 것으로 분석되었다.
66 mm의 최대변위가 발생하였고, KTX열차와 안전펜스의 이격거리가 129~329 mm임을 고려할 때 충분한 안전거리를 확보하고 있는 것으로 분석되었다. 또한, 열차풍압에 의한 응력 검토결과, PART 1의 변곡점에서 약 54~58 MPa의 최대응력이 발생하였으며, PART 1에 사용된 SPP의 인장강도가 420 MPa임을 고려할 때 충분한 안전율(7.2이상)을 확보하고 있는 것으로 분석되었다.
레일고정클램프의 전기저항시험결과, 221kΩ으로 KRS TR 0014-15R에서 제시하고 있는 13kΩ이상보다 높은 값으로 기준치를 만족하는 것으로 분석되었다.
내구성시험은 레일고정클램프 외측으로 약 150 mm 나오도록 제작하였다. 수치해석결과 건축한계제어용 수직빔의 끝단의 변위가 약 6~9 mm 발생할 때 레일고정클램프 연결부는 약 0.1~0.2 mm 변위가 발생하는 것으로 나타났다. 또한, 열차통과 시 레일은 수직방향으로 약 1~3 mm 변위가 발생하며, 국내 열차의 진동주파수는 2~4 Hz 범위이다.
철도선로용 안전펜스 레일고정클램프 연결부에 대한 내구성시험결과, 100만회까지 외관상 이상이 없음을 확인하였다.
철도선로용 안전펜스와 국내 열차종류별 이격거리를 검토한 결과(표 1 참조), KTX열차의 경우 안전펜스를 최소폭으로 적용 시 129 mm가 이격되며, KTX-Ⅱ열차의 경우 안전펜스를 최대폭으로 적용 시 604 mm가 이격되는 것으로 검토되었다. 디젤열차, EMU, 구형 및 신형 전동차의 경우에도 안전펜스를 최소폭으로 적용 시 160 mm이상 이격되고, 최대폭으로 적용 시 290 mm이상 이격되는 것으로 검토되었다.

후속연구

레일고정클램프의 전기저항시험결과, 221kΩ으로 KRS TR 0014-15R에서 제시하고 있는 13kΩ이상보다 높은 값으로 기준치를 만족하는 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구개발제품은 AF궤도회로구간, 직류 및 교류구간에 사용이 가능하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영국에서 사용되고 있는 철도선로용 안전펜스의 단점은?	또한, 열차속도 160 km/h에서 사용가능하며, 교류구간(DC)에서 사용가능하다. 하지만 가로봉의 길이 차이로 인해 미관상 좋지 않으며, 수직빔의 반달형 고리로 인해 보관 및 이동 시 불편하고, 도상어깨높이가 고려되어 있지 않은 것이 단점이다.
	운행선 근접공사 시 발생하는 안전상 문제점은 무엇이 있는가?	•일반인 및 작업자가 선로 통행이 자유롭기 때문에 사고발생률이 높음 •중장비 공사 시 운행선 건축한계 침범으로 인한 사고발생률이 높음 •철도선로 특성상 평평한 바닥면이 아니며, 열차 풍 및 바람에 의해 스탠드형 안전펜스가 쓰러져 접근금지 경계역할을 못하여 열차운행에 지장을 초래 •철도공사 특성상(열차정상운행과 동시에 작업 진행 또는 열차차단 후 작업진행) 주간작업 시작업자가 경보음을 듣기 어렵고, 야간작업 시 작업능률 저하 및 작업자 부주위로 인한 사고 발생이 많으며, 야간에는 안전펜스를 설치하지 않거나 설치하였다 하더라도 안전펜스에 대한 시야확보에 어려움이 있어 기존 운행선 선로를 침범하는 경우가 자주 발생 •열차감시원을 배치하더라도 인적에러(열차감시원의 근무태만으로 인한 감시소홀, 작업자 부주위 등)로 인한 사고발생은 항시 존재하기 때문에 이에 대한 원천적인 차단 방안이 필요함
	철도에서, 2004~2013년 교통사상사고 원인을 분석한 결과는?	3%로 가장 높게 나타났다. 2004~2013년 교통사상사고 원인을 분석한 결과 열차에 뛰어듬(자살), 선로근접 및 무단통행, 승하차시 넘어짐, 부주의한 행동, 출입문에 끼임 등의 순으로 교통사고 발생이 많게 발생하였다. 따라서 철도교통사상사고 중 선로근접 및 무단통행에 대해서는 원천적으로 선로 무단침입을 차단할 경우 인명 및 재산피해를 최소할 수 있을 것으로 판단된다.

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