[논문]도시철도 콘크리트궤도 목침목 분기기의 손상현황

최정열; 한경성; 봉재근; 장철주; 정지승

doi:10.17703/jcct.2019.5.4.379

도시철도 콘크리트궤도 목침목 분기기의 손상현황
Damage Status of Turnout System with Wooden Sleeper of Concrete Track on Urban Transit 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.5 no.4, 2019년, pp.379 - 385

최정열 (동양대학교 철도건설안전공학과) , 한경성 (서울교통공사 궤도2사업소) , 봉재근 (서울교통공사 궤도2사업소) , 장철주 (롯데건설) , 정지승 (동양대학교 철도건설안전공학과)

초록
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본 연구는 도시철도 콘크리트궤도 목침목 분기기의 손상현황 및 손상유형별 원인을 분석하고자 현장조사를 수행하였다. 또한 약 24년간의 분기기 유지관리이력을 열차 통과톤수와 연계하여 운영 호선별로 구분하여 손상발생빈도와 연계분석하고 현재까지 수행되어온 손상항목별 궤도보수내용의 적정성을 비교 분석하였다. 도시철도 콘크리트 도상에 적용된 목침목 분기기의 특성상 목침목 하부에 삽입되어 있는 침목방진패드의 성능유지가 중요하다. 현장조사결과 목침목 분기기 궤도구조의 적정탄성 수준 부족에 따른 손상 및 다양한 유형의 레일손상이 조사되었으며, 레일의 손상은 독립적인 손상이 아닌 다른 궤도구성품의 손상에서 기인되어 유발되는 경우도 다수 발견되었다. 분기기 궤도구성품별 손상빈도 분석결과, 손상발생빈도는 레일, 타이플레이트, 나사스파이크, 목침목 순으로 나타났으며 이를 바탕으로 목침목 분기기 궤도구조의 주요 손상유형은 목침목의 변형에 따른 나사스파이크와 타이플레이트의 고정상태불량에서 기인된 손상이 주요 손상유형으로 분석되었다. 연구결과, 분기기에 적용된 목침목의 변형은 레일체결장치구성품의 고정상태 불량을 초래하고 이로 인한 연계손상이 유발될 수 있음을 현장조사결과를 바탕으로 분석하였다. 또한 분기기의 중점 점검항목 및 현행 분기기 점검 시트의 보완점을 도출하여 개선 안을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to investigate the damage status of wood sleepers on concrete track of urban transit at different locations and to analyze the causes of damages. In addition, the turnout maintenance history during the service period of about 24 years was analyzed in conjunction with the train passing tonnage and that was to compare the current repair history. The most frequent damage components were rail, tie plate, spike and wooden sleeper. And, the damage caused by the defect of the rail fastening system such as spike and tie plate according to the deformation of the wooden sleeper was analyzed as the main type of damage. As a result, the damage of track components of turnout system was on the increase because they are directly affected by the train passing tonnage. The supplementary points of the check sheet for current turnout maintenance were derived and the improvement proposal was suggested based on the research results.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. 60 kg #8 분기기 개요도 Figure 1. 60 kg #8 Turnout System
표 표 1. 분기기 레일손상 현황(2019. 6월 현재) Table 1. Turnout system damage status(until June 2019)
그림 그림 2. 분기기 레일이음매부 손상현황 Figure 2. Damaged rail joints of turnout system
그림 그림 3. 분기기 레일손상 현황 Figure 3. Damaged rails of turnout system
그림 그림 4. 베이스플레이트 단차 조정현황 Figure 4. Level adjustment of between WT and baseplate
그림 그림 5. 목침목 보수현황 Figure 5. Repaired wooden sleeper
그림 그림 6. 크로싱 고정시스템 현황 Figure 6. Abnormal fixation system of crossing
그림 그림 7. 크로싱부 가드레일부 손상 메커니즘 Figure 7. Damage mechanism of guard rail of crossing section
표 표 2. 분기기 점검표 Table 2. Proposed check list for turnout inspection

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 도시철도에서 운영중인 콘크리트궤도 목침목 분기기를 대상으로 유지관리이력을 조사하고 현장조사를 수행하여 분기기를 구성하는 각각의 구성품 및 위치별 손상현황을 조사하고 손상유형별 원인을 분석하였으며, 그 결과 개선 안은 다음과 같다.
평면선형조건상 곡선부에 해당하는 크로싱부의 경우 결선부 통과시 안전확보를 위해 설치한 가드레일과 반대편 레일의 궤간유지가 중요하다. 본 연구에서는 크로싱부의 곡선레일에 발생된 편마모로 인해 크로싱부 가드레일의 이상마모가 발생되고 열차하중의 편기현상으로 인해 가드레일 상판 및 고정앵커의 절손이 발생되고 있는 현장상황을 바탕으로 그림 7과 같이 크로싱부 가드레일의 이상마모 및 가드레일 상판 손상의 메커니즘을 정리하여 나타내었다.
본 연구에서는 현장조사를 바탕으로 수집한 다양한 분기기 궤도손상의 유형별 특성을 분석하여 현행 분기기 위치별 선형검측 중심으로 설정되어있는 분기기 점검항목을 노후 분기기의 손상수준 및 구조적 건전성을 파악할 수 있도록 하는 분기기 궤도상태평가를 위한 분기기 점검항목을 도출하여 표 2와 같이 제시하였다.

성능/효과

1) 분기기 레일이음매부의 단차 및 레일단면형상의 차이에서 기인한 궤도충격은 레일 및 궤도구성품의 손상을 유발하여 레일 이음매부 궤도구성품의 손상 빈도가 높은 것으로 조사되었다. 따라서 레일 용접부요철을 비롯한 레일이음매부의 단차를 최소화하고 신품레일과 노후레일 이음매부에서의 레일단면형상 차이를 최소화하는 방안이 필요한 것으로 분석되었다.
2) 포인트부의 텅레일은 일반적인 레일보다 단면강성이 작아 레일의 처짐 및 구름접촉피로손상에 취약한 것으로 분석되었다. 따라서 텅레일의 부담력을 최소화하기 위해 분기기 접속부 처리방안에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
3) 크로싱 후단의 가드레일은 횡압에 의한 리드레일의 편마모 발생에 따라 차륜 플랜지 배면과 가드레일이 접촉되어 가드레일에 지지된 상태로 크로싱부를 통과 하게 됨으로써 가드레일 상판 및 앵커볼트의 손상이 야기되고 차량의 좌우동범위가 확대되어 승차감 저하에도 영향을 미칠 수 있을 것으로 분석되었다. 따라서 크로싱부 곡선레일의 편마모 관리 기준치는 일반 곡선부의 경우보다 보수적인 수준으로 관리 개선하는 것이 적정할 것으로 판단된다.
4) 도시철도 콘크리트궤도 목침목 분기기의 손상 현황 분석결과, 레일을 지지하는 궤도 구성품들의 구조적 건전성이 전체 시스템의 손상방지를 위해 중요한 요소인 것으로 분석되었으며 반복적인 손상이 발생되어 빈번한 보수 및 교체가 투입되는 분기기 궤도구성품 및 특정위치의 경우, 손상 원인에 대한 명확한 분석을 통해 근본적인 대책을 수립하여 손상재발을 방지하는 방안 수립이 필요한 것으로 판단된다. 따라서 반복손상개소의 경우 분기기 손상이력 및 유지관리이력 데이터를 체계적으로 관리하고 이를 바탕으로 구조적인 개선사항을 도출함으로써 손상부재에 대한 형상 및 재료 등을 개선함으로써 손상재발을 예방하고 선제적인 예방보수가 가능한 분기기 궤도유지관리체계 도입이 필요할 것으로 판단되었다.
사용 년 수에 따른 누적통과톤수와 손상물량의 상관관계 및 가장 많은 빈도의 손상이 발생된 레일은 텅레일과 크로싱부로 나타났다. 5, 7호선의 공용기간은 약 24년으로 동일하였으며 열차 통과톤수는 5호선 6.2억톤, 7호선은 5.2억톤으로 5호선이 약 1억톤 더 높게 나타났으나 레일결함은 7호선에서 보다 더 많이 발생된 것으로 조사되었다. 이는 5호선의 경우 일일 수송인원이 약 89만명이나, 7호선은 약 103만명으로서 일일 수송인원의 밀도가 5호선 대비 약 14% 높은 수준으로 나타나 레일이 부담하는 실질적인 통과톤수에 따른 피로수준이 더욱 가중되어 단순 열차 운행 빈도만을 바탕으로 산출되는 통과톤수 만이 아닌 실제 레일이 부담하는 피로 도를 과소평가 할 수 없는 것으로 나타났다.
이에 따라 7호선의 누적 통과톤수는 비록 5호선 보다 적지만 분기기 레일에 발생되는 손상 발생비율은 약 6% 높게 나타났다. 5～8호선에서 분기기 위치별 손상 빈도가 높은 개소는 크로싱(48.2%), 텅레일(42.8%)순으로 나타나 선행연구에서 분석한 바와 같이 열차주행로의 불연속점을 갖는 크로싱과 단면강성이 비교적 작은 텅레일에서 궤도충격 및 동적 처짐이 증가하여 손상빈도에 영향을 준 것으로 분석되었다.
1) 분기기 레일이음매부의 단차 및 레일단면형상의 차이에서 기인한 궤도충격은 레일 및 궤도구성품의 손상을 유발하여 레일 이음매부 궤도구성품의 손상 빈도가 높은 것으로 조사되었다. 따라서 레일 용접부요철을 비롯한 레일이음매부의 단차를 최소화하고 신품레일과 노후레일 이음매부에서의 레일단면형상 차이를 최소화하는 방안이 필요한 것으로 분석되었다.
3) 크로싱 후단의 가드레일은 횡압에 의한 리드레일의 편마모 발생에 따라 차륜 플랜지 배면과 가드레일이 접촉되어 가드레일에 지지된 상태로 크로싱부를 통과 하게 됨으로써 가드레일 상판 및 앵커볼트의 손상이 야기되고 차량의 좌우동범위가 확대되어 승차감 저하에도 영향을 미칠 수 있을 것으로 분석되었다. 따라서 크로싱부 곡선레일의 편마모 관리 기준치는 일반 곡선부의 경우보다 보수적인 수준으로 관리 개선하는 것이 적정할 것으로 판단된다.
사용 년 수에 따른 누적통과톤수와 손상물량의 상관관계 및 가장 많은 빈도의 손상이 발생된 레일은 텅레일과 크로싱부로 나타났다. 5, 7호선의 공용기간은 약 24년으로 동일하였으며 열차 통과톤수는 5호선 6.
오수진은 도시철도 분기기 망간크로싱의 손상수준을 평가하고 이를 바탕으로 크로싱 교체기준을 제시하였으며 크로싱부는 동적하중에 의해 궤도충격이 약 1.7배 증폭될 수 있음을 실험 및 해석적으로 입증하여 크로싱 부가 분기기에서 궤도충격측면에서 가장 취약할 수 있음을 분석하였다[2]. 최희영은 분기기 레일의 직마모와 편마모 발생수준에 대한 분석결과를 바탕으로 차륜과의 상호작용력 및 레일의 손상을 비롯한 열차 탈선메커니즘과의 상관관계에 대한 연구를 수행하였다[3].
이에 따라 7호선의 누적 통과톤수는 비록 5호선 보다 적지만 분기기 레일에 발생되는 손상 발생비율은 약 6% 높게 나타났다. 5～8호선에서 분기기 위치별 손상 빈도가 높은 개소는 크로싱(48.

후속연구

주기 또는 불규칙한 주기패턴으로 레일표면에 나타나는 형태를 파상마모라 하며, 이는 그림 6(a)와 같이 본선레일 뿐 아니라 분기기 크로싱에서도 나타나고 있다[6]. 크로싱부의 고정상태도 크로싱부 궤도구성품의 손상에 영향을 미칠 수 있으며, 그림 6(b)와 같이 체결장치의 위치적 특성상 정상체결이 어려운 개소가 상당수 존재하여 이에 대한 별도의 개선방안 수립이 필요할 것으로 판단되었다.
4) 도시철도 콘크리트궤도 목침목 분기기의 손상 현황 분석결과, 레일을 지지하는 궤도 구성품들의 구조적 건전성이 전체 시스템의 손상방지를 위해 중요한 요소인 것으로 분석되었으며 반복적인 손상이 발생되어 빈번한 보수 및 교체가 투입되는 분기기 궤도구성품 및 특정위치의 경우, 손상 원인에 대한 명확한 분석을 통해 근본적인 대책을 수립하여 손상재발을 방지하는 방안 수립이 필요한 것으로 판단된다. 따라서 반복손상개소의 경우 분기기 손상이력 및 유지관리이력 데이터를 체계적으로 관리하고 이를 바탕으로 구조적인 개선사항을 도출함으로써 손상부재에 대한 형상 및 재료 등을 개선함으로써 손상재발을 예방하고 선제적인 예방보수가 가능한 분기기 궤도유지관리체계 도입이 필요할 것으로 판단되었다.
2) 포인트부의 텅레일은 일반적인 레일보다 단면강성이 작아 레일의 처짐 및 구름접촉피로손상에 취약한 것으로 분석되었다. 따라서 텅레일의 부담력을 최소화하기 위해 분기기 접속부 처리방안에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
크로싱부 하단 고정부의 하부 뒤틀림으로 인한 손상으로 그림 4와 같은 현상으로 나타나며, 대표적으로 크로싱부의 타이플레이트 들뜸현상과 나사스파이크 탈락 및 부러짐 현상이 조사되었다. 또한 크로싱부 및 다른 부위에서의 타이플레이트 하부공간을 채우기 위해 삽입하고 있는 다양한 형태 및 재료의 높이조정플레이트는 그 소재적 특성이 서로 상이하여 동적인 열차하중 조건에서 서로 상이한 거동을 보일 것으로 예상되는 바, 높이조정 플레이트로 사용하고자 하는 적정 소재의 선정 및 적용 개선이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도시철도 분기기 유지관리란?	도시철도 분기기 유지관리는 대부분 분기별 인력 궤도검측을 시행하여 관리기준치를 초과하는 궤도틀림 발생 시 보수를 시행하고 측정치를 관리한다. 또한 공용 중 분기기 레일에서 중대한 결함 또는 절손이 발생 되면 즉시 응급이음매판을 설치하고 해당레일을 교환한다.
	분기기 궤도구성품의 손상의 원인은?	도시철도 콘크리트궤도에 적용된 분기기는 약 24년의 공용기간동안 최근 텅레일 손상, 용접부 절손, 망간크로싱 균열 등 분기기 궤도구성품의 손상이 증가되는 추세이다. 분기기의 손상 및 유지관리와 관련하여 최근에 진행되어온 연구는 분기기 궤도틀림, 분기기 위치별 충격 및 마모에 대한 연구가 대부분이며 김은영은 분기기 힐부, 이음매부에서는 궤간과 수평틀림이 지배적이었으며 그림 1과 같이 크로싱부의 경우 중량이 큰 열차 일수록 처짐 및 끝 닳음이 유발되고 충격이 가중될 수있음을 제시하였다[1].
	분기기의 손상 및 유지관리 기준의 예시는?	오수진은 도시철도 분기기 망간크로싱의 손상수준을 평가하고 이를 바탕으로 크로싱 교체기준을 제시하였으며 크로싱부는 동적하중에 의해 궤도충격이 약 1.7배 증폭될 수 있음을 실험 및 해석적으로 입증하여 크로싱 부가 분기기에서 궤도충격측면에서 가장 취약할 수 있음을 분석하였다[2]. 최희영은 분기기 레일의 직마모와 편마모 발생수준에 대한 분석결과를 바탕으로 차륜과의 상호작용력 및 레일의 손상을 비롯한 열차 탈선메커니즘과의 상관관계에 대한 연구를 수행하였다[3].

참고문헌 (11)

E.Y. Kim, "A study on the Influence Turnout Track Twist from Train Operation", Ajou University, Master's thesis, 2016
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상세보기
H.W. Ji, S.G. Kwon, B.H. Yun, J.M. Seo, "Evaluation on fatigue durability of tongue rail according to speed-up", Journal of The Korean Society For Urban Railway, Vol. 5, No. 3, pp. 967-973, 2017 (doi : 10.24284/JKOSUR.2017.09.5.3.967)
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J.Y. Choi, H.S. Gong, J.H. Kim, H.S. Kim, J.S. Chung, "An Experimental Study on Causes Evaluation of Rail corrugation for concrete track(STEDEF) in Urban Transit", The Journal of the Convergence on Culture Technology(JCCT), Vol. 4, No. 4, pp. 413-148, 2018 (doi http:/dx.doi.org/10.1703/JCCT.2018.4.4.413)
K.S. Lee, "Dynamic Behavior of the STEDEF System on Concrete Ballast", Kyunggi University, A Doctor's degree, 1996
S.M. Kim, "An Improvement Study for Existed Quality Controls of Concrete Sleepers", Hanyang University, Master's thesis, 2005
J.Y. Song, "Condition Assessment and Damage Control for Concrete Sleeper", Hanyang University, Master's thesis, 2012
S.C. Kim, "An Analysis on the Mechanical Behavior of Resilient Sleeper in Concrete bed", Kyunggi University, Master's thesis, 1997
J.I. Kim, "An Analysis on the Mechanical Damage Behavior of Resilient Sleeper on Concrete Ballast", Dongguk University, Master's thesis, 2002

저자의 다른 논문 :

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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