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문제 정의
- 공항철도 및 직결연결을 위한 경의선 및 신경의선의 현 시설현황을 토대로 최적의 설계속도를 분석하고, 그 분석 결과에 따른 개량 방안들을 고찰해 보고자 한다.
- 또한, 서울역에서 공항철도와 리무진 버스의 인천공항 도달시간을 비교한 결과 공항철도의 협약상 운전시간은 급행 45분, 완행 53분이며, 리무진버스의 경우 55분으로 속도측면에서 우위성을 점유하고 있지 못하는 것으로 조사되었다. 따라서, 공항철도 구간에 운행하는 차량을 현재 110km/h급 전동차를 180km/h급 고속EMU(Electric Multiple Unit)로 대체하여 속도를 향상할 필요가 있을 것으로 판단되며, 서울역 및 용산역을 이용하는 고속철도 이용승객의 환승 불편함을 해소하고 직결운행을 통한 이용편의성을 제공하고자 KTX 투입방안에 대하여 검토하고자 한다.
- 따라서, 본 연구에서는 공항철도의 수요가 부족한 원인을 짚어보고 사업성 확대 등 공항철도를 활성화 할 수 있는 방법을 고찰하여 수요의 증대를 통한 정보보조금의 축소를 기대하고자 한다.
- 따라서, 위에서 언급한 세 가지 방안을 위주로 본 논문에서는 열차운영, 기술측면에서의 가능성 및 활성화 방안을 제언하고자 한다.
- 또한, 다량의 수하물 운반을 위하여 인천공항역에 장애인 편의시설로 E/V가 반영되어 있으나, 다소 사용성에서 불편하다. 따라서, 카트 이용이 용이하도록 현재의 계단형 E/C를 경사형 M/W로 변경 하는 것을 추가적으로 검토하였다.
- 인천공항 활성화를 위하여, 추가적으로 이용자의 편의성을 증진할 수 있는 방안을 몇 가지 제안하고자 한다. 우선, 인천공항철도 서울역(지하)의 경우 기존 도시철도(1호선, 4호선) 서울역과의 환승이 불편하여 서울역지하로 지하 환승 통로를 설치 여객동선을 단축하는 방안을 제안하며, 또한, 인천공항역 이용객은 장거리 여행객이 대다수로서 큰 수화물의 수취가 문제가 될 수 있다.
제안 방법
- 150km/h급 차량과 180km/h급을 비교할 경우에도 속도향상에는 크게 차이가 나지 않으나, 장래 기존선의 Speed Up을 230km/h까지 확대할 예정으로 있고, 새마을열차를 대체할 간선형 전동차의 도입계획에도 180km/h급 전동차를 도입할 예정으로 있으며, 현재 제작단계에 있어 즉시 투입이 가능하고, 차량구입비 측면에서 유리할 뿐만 아니라 상대적으로 운전시분 단축효과가 큰 열차최고속도 180km/h급 차량으로 검토하였다.
- 고속철도는 호남선 및 경부선 동일하게 입출고하는 열차를 투입하는 것으로 계획하고, 2개역만을 정차하는 것으로 검토하였다. 다만, 김포공항역에 고속철도가 정차하는 것이 효율적으로 판단되나, 현 시설계획상 김포공항에 KTX의 정차는 어려운 것으로 검토되어 부본선 설치가 용이하고 인천 지하철과 환승하는 곳에 중간역을 설치하는 것으로 검토하였다.
- 또한, 신경의선에서 인천공항철도 노선으로 직결을 위하여 수색역 부본선을 이용하여 수색기지를 지하로 횡단 인천공항 고양역(장래)의 부본선에 직결하는 시설계획을 검토하였다.(그림 4-5의 B)
- 이에 따른 각 열차의 기능에 맞추어 정거장의 설치를 고려할 때 용산에역서 출발하는 EMU의 경우 신경의선이 개통되면 도시철도의 기능을 담당하므로 급행으로 운행하되, 주요 환승역에만 정차하는 것으로 계획하여 5개역 정차를 제안하며, 인천공항철도의 경우 현재의 10개역을 모두 정차하는 완행을 검토하고 급행은 3개역만 정차하는 것으로 제안하였다.
- 시설 개량방안은 최소의 비용으로 최대의 효과를 얻을 수 있는 방안으로 검토하기 위하여 현 노반 시설은 개량하지 않는 것으로 전제하고, 시스템의 변경을 통한 속도향상 방안을 검토하고 현 궤도 구조 개량 및 전차선의 속도향상방안을 중점적으로 검토한 결과, 지하구간은 현 시설을 이용하는 것이 바람직하고, 지상구간에서 최대한 속도를 향상하는것이 유리한 것으로 분석되었다. 현 영종대교 및 마곡대교구간에 대하여는 구조물의 안전성 분석을 통하여 최고속도를 설정하였으며, TPS분석 결과를 토대로 각 노선별, 구간별 설계속도를 구분하여 검토하였다.
대상 데이터
- 마곡대교는 총연장 2,390m로 강합성 및 트러스교량으로 최장지간은 5경간 트러스 연속교로 530m이고 전동차 전용 표준활하중인 EL-18로 설계되어 있으며, 최대설계속도는 120km/h이다.
- 본 인천공항 철도 노선 중에 특수교량은 한강을 횡단하는 마곡대교와 인천과 영종도를 연결하는 영종대교가 있으며, 강합성, 트러스, 현수교로 구성되어 있다.
- 영종대교는 도로 및 철도의 복층구조이고 총연장 3,520m로 트러스 및 강합성, 현수교로 구성되어 있으며, 이중 최장지간은 12경간 트러스 연속교로 1,500m이고, 주 현수교의 지간은 측경간 포함 550m이다. 영종대교는 수도권전철 하중을 기본으로 한 표준활하중인 Q-25로 설계되어 있으며, 최대설계속도는 110km/h이다.
- 영종대교는 도로 및 철도의 복층구조이고 총연장 3,520m로 트러스 및 강합성, 현수교로 구성되어 있으며, 이중 최장지간은 12경간 트러스 연속교로 1,500m이고, 주 현수교의 지간은 측경간 포함 550m이다. 영종대교는 수도권전철 하중을 기본으로 한 표준활하중인 Q-25로 설계되어 있으며, 최대설계속도는 110km/h이다.
성능/효과
- EMU 열차의 투입을 고려할 때 설계속도별 TPS분석에 따라 대체차량의 성능을 분석 최적의 차량을 선정하는 것으로 검토 한 결과, 노선별 운행 연장에 따라 운전시분 단축효과가 다소 상이하게 검토되었으나, 100km/h 대비 150km/h는 94~79%, 180km/h는 90~73%의 단축효과가 나타난다.
- KTX의 이용수요현황을 분석한 결과, 1일 약 10만명 중 약 80%인 84천명이 수도권에서 이용하는 수요로 분석되었다. 따라서, KTX 직결운행과 용산역에서 KTX환승이 가능하다면 장거리 이용인구의 철도전환 및 유발수요를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
- 고속철도역을 기점으로 인천국제공항에 접근수단별 평균통행시간을 분석한 결과 수도권에서는 승용차가 53분, 공항버스 55분, 철도 93분이 소요되며, 지방권에서는 승용차가 4시간 12분, 공항버스의 경우 4시간 20분, 철도의 경우 3시간 45분이 걸리는 것으로 조사되었다. 이는 수도권에서는 도로대비 철도의 경쟁력이 떨어지며, 지방에서는 도로대비 철도의 접근시간측면에서는 다소 유리하나, 문전수송(Door To Door)의 이점이 있는 승용차에 비해 전체적으로 경쟁력이 없는 것으로 판단 된다.
- 그러나, 230km/h는 180km/h 대비 기존 선형조건이 열악하여 최고속도 분석결과 230km/h 고속화 속도영역이 적어 상대적으로 단축효과가 미흡한 것으로 분석되었다.
- 이는 수도권에서는 도로대비 철도의 경쟁력이 떨어지며, 지방에서는 도로대비 철도의 접근시간측면에서는 다소 유리하나, 문전수송(Door To Door)의 이점이 있는 승용차에 비해 전체적으로 경쟁력이 없는 것으로 판단 된다. 그리고, 경부축과 호남축으로 구분하여 분석한 결과 경부축은 경부고속철도의 개통으로 인하여 다소 철도가 유리하나, 호남축에서는 승용차나 공항버스가 유리한 것으로 분석되었다.
- 또한, 서울역에서 공항철도와 리무진 버스의 인천공항 도달시간을 비교한 결과 공항철도의 협약상 운전시간은 급행 45분, 완행 53분이며, 리무진버스의 경우 55분으로 속도측면에서 우위성을 점유하고 있지 못하는 것으로 조사되었다. 따라서, 공항철도 구간에 운행하는 차량을 현재 110km/h급 전동차를 180km/h급 고속EMU(Electric Multiple Unit)로 대체하여 속도를 향상할 필요가 있을 것으로 판단되며, 서울역 및 용산역을 이용하는 고속철도 이용승객의 환승 불편함을 해소하고 직결운행을 통한 이용편의성을 제공하고자 KTX 투입방안에 대하여 검토하고자 한다.
- 또한, 활성화로 인하여 20013년 225.2억원, 2016년 330.3억원, 2026년 353.3억원의 추가 수입이 발생됨에 따라 정부보조금(MRG)은 2013년～2037년(잔여 협약기간 25년)간 총 7,718억원 규모 감소되는 효과가 발생할 것으로 예측되었다.
- 고속철도(KTX)의 투입 및 Speed Up에 대한 교량의 동적안전성에 대한 검토가 필요하다. 본 검토에서는 KTX-Ⅱ 실하중(HL-17)에 의한 동적안정성 분석을 통하여, 고유치해석, 최대처짐(정적 및 동적), 연직가속도 및 면틀림 분석을 한 결과 마곡대교 및 영종대교의 검토된 최고속도에서는 한계치 이내인 것으로 분석되었다.
- 분석결과 구간별로 , , 에서와 같이 서울시 구간, 연결선 구간 등은 선형조건이 열악하여 최대 통과 속도가 120km/h로 영종대교 등은 200km/h이상으로 분석되었다.
- 시설 개량방안은 최소의 비용으로 최대의 효과를 얻을 수 있는 방안으로 검토하기 위하여 현 노반 시설은 개량하지 않는 것으로 전제하고, 시스템의 변경을 통한 속도향상 방안을 검토하고 현 궤도 구조 개량 및 전차선의 속도향상방안을 중점적으로 검토한 결과, 지하구간은 현 시설을 이용하는 것이 바람직하고, 지상구간에서 최대한 속도를 향상하는것이 유리한 것으로 분석되었다. 현 영종대교 및 마곡대교구간에 대하여는 구조물의 안전성 분석을 통하여 최고속도를 설정하였으며, TPS분석 결과를 토대로 각 노선별, 구간별 설계속도를 구분하여 검토하였다.
- 신호분야의 경우 인천공항철도의 지상설비를 경부고속철도의 ATC 시스템으로 전면 개량하는 방안과 유럽표준 시스템인 ERTMS/ETCS Level.1을 적용하는 방안을 비교 검토한 결과, 인천공항철도 지상설비를 전면 개량하는 방안이 기존 설비 철거 신설로 인하여 사업비 및 열차운행 측면에서 불리하므로 인천공항철도의 지상신호설비에 발리스 등을 추가하고 KTX, EMU, 9호선 직결열차에 ERTMS/ETCS Level.1 차상장치를 탑재하는 방안이 한국철도공사 신호설비 개량계획 및 국제적 기술추이를 고려시 타당한 것으로 검토되었다.
- 열차운영계획은 일반적으로 수요에 따른 열차 투입계획을 수립하는 것이 타당하나, 본 연구의 주된 목적이 인천공항철도의 활성화를 위한 것을 감안할 때 KTX 직결에 따른 고속열차를 투입하는 고속간선기능의 역할, 수도권의 광역철도의 기능을 담당하는 직행열차 운영 및 일부 도시철도 역할 등을 감안하고, 김포공항~인천공항 구간은 모든 열차의 혼합운행이 가능하며, LOS(Level of service)의 관점에서 운행시격을 고정하여 열차운행계획을 수립하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
- 영종대교의 경우 주횡 빔의 형하고 제약으로 인하여 절연이격거리 부족에 따라 200km/h까지는 가능하나, 230km/h까지 향상할 경우 전차선 높이의 변경이 필요하다, 그러나, 현재는 일부 연구결과에만 5,000m→4,800m로 변경하여도 속도향상이 가능한 것으로 검토되어 있어 현 기준2)을 충족하지 않으며, 영종대교구간을 230km/h까지 향상할 경우에도 영종대교 전후 구간의 선형 조건상 속도향상에 대한 효과가 미미하여 본 구간에는 200km/h로 속도 향상하는 것으로 제안한다.
- 인천공항 철도 활성화로 인하여 이용자 서비스 개선을 추정한 결과, 현재 공항철도(서울~인천공항)의 경우 일반 53분, 직통47분에서 고속EMU(서울, 용산~인천공항)을 투입할 경우 30분대의 운행이 가능 할 것으로 분석되며, 지방권의 경우 현재 부산~광명(KTX)~리무진으로 인천공항을 갈 경우 3시간 30분이며, 리무진 버스로 6시간이 소요되나, KTX 직결운행으로 2시간 50분이 소요되어 운행시간이 40분~3시간 정도 단축하여 경쟁력이 있을 것으로 판단된다.
- 인천공항철도 노선에 KTX 및 용산역 EMU 운영을 위하여 연결선 설치 방안을 검토한 결과, KTX 직결을 위해서는 서울역(지상)~DMC역 전에 경의선에서 신경의선으로의 연결이 필요하며, 현재 신경의선에 이례사태 발생 등 부득이한 경우에 대비하여 경의선으로의 건넘선(단선)이 기 설치되어 있어 연계운행이 가능하나, 수요분석에 따른 KTX 열차시격 및 경의선 선로지장을 분석한 결과 추가 건넘선을 설치하고, 건넘선 통과속도 향상을 고려하여 #F8→#F12 분기기 개량하는 것으로 시설계획을 검토하였으며, 경의선의 선로용량을 감안할 경우 서울역에서 회송하는 열차의 일부열차를 인천공항 쪽으로 운영하는 것으로 검토하였다.
- 인천공항철도가 있는 영종도의 유출입 교통량은 1일 75,325대(영종대교 69%, 인천대교 31%) 이용하는 것으로 조사되었으며, 유출입 1일 추정통행량은 202,650통행 이용하는 것으로 조사되어 인천공항을 이용하는 인구 외에도 많은 수의 유출입이 존재하는 것으로 분석되었다.
- 인천공항철도의 노반현황은 전체연장 중 약 50%가 터널 등 지하구조물로 구성되어 있으며, 서울역, 김포공항, 인천공항역 구간은 도심지 등 통과구간으로 곡선개소가 많아 선형조건이 열악한 것으로 조사되었다.
- 인천공항철도의 수송수요현황은 9호선 개통 이후 1일 2.3만명(4천명 증가) 이용하는 것으로 조사되었으며, 유출입 버스의 경우 총 90개 노선(시내 9, 시외 33, 리무진 48)에서 1일 5.6만명(수도권 5.18만명, 지방권 0.45만명)이 이용하고, 이 중 수도권이 91%(서울 56.5%, 인천 19.6%, 경기도 15.9%)로 대부분을 차지하고, 장거리(부산, 목포 등) 이동인구의 버스이용률은 저조한 것으로 조사되었다.
- 지상구간의 경우 현 110km/h로 설계된 설비를 200km/h까지 속도향상 할 경우 Pre-sag조정(0→1/1,000)으로 가능한 것으로 검토되었으며, 230km/h까지 향상할 경우 전차선 높이(5,200→ 5,000㎜), 드로퍼 지지간격(2.5/5m→ 3/4.5/5m)을 조정하고, 전차선가고(960mm→1,200㎜), Pre-sag(0 → 1/1,000) 및 가동브래킷을 현 개발품으로 변경하면 가능한 것으로 검토 되었다.
- 지하구간의 R-BAR방식 개량은 R-BAR 지지간격을 조정하여 150km/h까지 속도향상이 가능하나, 분석결과 주요 속도제약 인자가 노반 선형조건에 의한 것으로서 속도향상이 어려운 부분으로 추가 전차선개량에 대한 비용대비 속도 향상효과가 미미하여 현 시스템을 그대로 적용하는 것이 적절한 것으로 분석되었다 따라서, 신경의선 지하구간, 공항철도 지하구간 등은 현 설비를 그대로 적용하는 것으로 제안하였다.
- 첫 번째, 인천공항 접근수단별 분석 결과 타 교통수단과의 경쟁력이 매우 부족한 것으로 검토되어 공항철도 수요를 증대시키기 위해 현재의 공항철도 차량(110km/h)을 180km/h급 EMU차량으로 대체하여 Speed up이 가장 먼저 선행되어야 할 것으로 판단된다. 더불어, 공항철도 연장운행이 가능한 9호선차량 또한 180km/h급의 EMU를 투입하여 운행할 필요가 있는 것으로 판단된다.
- 표 4-8과 같이 정차역 및 열차운영계획을 수립하였으나, 각 열차운영계획에 대한 여러 가지 대안을 조합한 결과 표 4-9와 같이 서울 EMU 12분 간격(5회/시간), 용산 EMU(2회/시간)와 9호선 직결 EMU(2회/시간)는 30분 간격, KTX는 30분 간격(2회/시간)으로 경부선과 호남선에 교차 운행하는 열차운영계획을 수립하는 것이 수요측면 및 열차운영 측면에서 최적인 것으로 검토되었다.
후속연구
- 다만, 본 검토는 이론적인 결과이므로 추후 세부 설계시 현차실험에 의한 예측치의 확인 등이 필요할 것으로 판단된다.
- 인천공항역은 제2공항철도 건설에 대비하여 기 시행된 정거장을 활용하여 승강장 시설을 개량(고상홈→저상홈)하는 계획을 수립하였다. 다만, 현재의 고속철도 차량이 저상홈 전용으로 되어 있어 저상홈으로 시설개량하는 것으로 검토하였으나, 향후, 인천공항철도에 운행될 KTX의 차량은 고상홈 및 저상홈 겸용으로 개발하여 운행하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
- 두 번째, 고속철도(KTX)를 인천공항에 투입하는 방안이 필요할 것으로 판단된다. 이를 위해 지방에서 이용하는 승객의 편의성 및 이용시간 단축을 고려하여 고속철도 노선과 공항철도 노선을 직결하는 것이 필요하다.
- KTX의 이용수요현황을 분석한 결과, 1일 약 10만명 중 약 80%인 84천명이 수도권에서 이용하는 수요로 분석되었다. 따라서, KTX 직결운행과 용산역에서 KTX환승이 가능하다면 장거리 이용인구의 철도전환 및 유발수요를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한, 그 동안 KTX 서비스에서 다소 소외된 지역이었던 인천 및 경기 서북지역에 대한 고속철도 서비스의 확대는 본 활성화의 또 하나의 큰 장점으로 판단된다. 마지막으로 공항철도 활성화에 대한 본 논고의 제안을 통하여 저탄소 녹색교통의 실현이 이루어지길 기대해 본다.
- 본 연구에서의 경의선과 신경의선의 부분적 직결을 검토 하였으나, KTX 광명~서울~고양간 기존 경부선 및 경의선 구간에 대한 신설건설 또한 조속히 이루어져 공항철도와 완전한 직결이 이루어지길 기대하며, 교량부분에 대한 세부설계에서 실측, 전차선에 대한 지속적인 연구결과를 통하여 현재 최고 속도 230km/h로 검토된 본 구간에 대하여 추가 Speed Up을 통한 경쟁력의 확보가 무엇보다도 시급한 것으로 판단된다. 또한, 그 동안 KTX 서비스에서 다소 소외된 지역이었던 인천 및 경기 서북지역에 대한 고속철도 서비스의 확대는 본 활성화의 또 하나의 큰 장점으로 판단된다.
- 세 번째, KTX, 9호선 이외 직결 및 환승 등 수요창출이 가능한 다양한 노선개발이 필요하다. 특히 용산역은 향후 국제업무단지의 건설 등으로 국내 및 국외 이용자가 많을 것으로 판단되며, 호남고속철도 시·종착역인 용산역과 공항철도를 운행하는 열차투입시 추가적인 수요확보가 가능한 것으로 판단된다.
- 시스템 개량의 경우 속도향상을 위해서는 다른 분야보다도 전차선의 개량이 필요할 것으로 판단되며, 크게 지하구간인 R-BAR시스템의 개량과 지상구간의 카티너리 방식의 개량이 주요인자로 검토 되었으며, 영종대교의 경우 주 횡빔의 형하고 제약으로 인한 전차선 높이에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
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