Recently, fast-growing up railway transportations. Because, regional traffic congestion problem solving and a period of rapid expansion to meet the demand of industries. In addition the government also suggest to new paradigm for the future 'Low Carbon, Green Growth' is presented as a new national v...
Recently, fast-growing up railway transportations. Because, regional traffic congestion problem solving and a period of rapid expansion to meet the demand of industries. In addition the government also suggest to new paradigm for the future 'Low Carbon, Green Growth' is presented as a new national vision. To meet the social needs and the time demands, Last of the railway increase very long tunnels and huge deep tunnels. Especially this trend accelerated high speed up in the tunnel, the revision of design criteria and research challenges are being actively improved. Mainly in the tunnel cross-section was under the control of the vehicle train speed 150km/hr by the construction of the vehicle cross-section of the tunnel. More than 200km/hr rail tunnel depending on the vehicle's speed caused the tunnel to the pressure fluctuations will be governed by the aerodynamic changes. Considering the economy to ensure the optimum cross-section of the railway tunnel to the description scheme is selected cross-section of the railway tunnel to determine the size domestic or international railway tunnel for the elements((based on fast Algorithm design criteria, the center line spacing, streetcar line, cross-sectional shape, sectoral issues, such as interface and aerodynamics) based on design practices and to review results. In this study, to propose guidelines depending on the size of a railway tunnel cross section for the size of the determining reasonable factors when designing the railway tunnel and cost-effective standards guidelines.
Recently, fast-growing up railway transportations. Because, regional traffic congestion problem solving and a period of rapid expansion to meet the demand of industries. In addition the government also suggest to new paradigm for the future 'Low Carbon, Green Growth' is presented as a new national vision. To meet the social needs and the time demands, Last of the railway increase very long tunnels and huge deep tunnels. Especially this trend accelerated high speed up in the tunnel, the revision of design criteria and research challenges are being actively improved. Mainly in the tunnel cross-section was under the control of the vehicle train speed 150km/hr by the construction of the vehicle cross-section of the tunnel. More than 200km/hr rail tunnel depending on the vehicle's speed caused the tunnel to the pressure fluctuations will be governed by the aerodynamic changes. Considering the economy to ensure the optimum cross-section of the railway tunnel to the description scheme is selected cross-section of the railway tunnel to determine the size domestic or international railway tunnel for the elements((based on fast Algorithm design criteria, the center line spacing, streetcar line, cross-sectional shape, sectoral issues, such as interface and aerodynamics) based on design practices and to review results. In this study, to propose guidelines depending on the size of a railway tunnel cross section for the size of the determining reasonable factors when designing the railway tunnel and cost-effective standards guidelines.
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문제 정의
따라서 본 고에서는 철도터널의 단면선정을 위한 결정요소들의 제반규정을 파악하고 각 항목별 최적안을 검토하여 이를 바탕으로 터널설계시 효율적이고 경제적인 철도터널 단면을 선정하는 기법에 대하여 중점을 두었다.
따라서 본 고에서는 쾌적성 및 승객의 건강측면에서 이명감을 느끼는 차량의 실내압력변동 한계와 환경적 측면에서 터널 출구에서 방사되는 환경소음의 일종인 미기압파의 한계값이 터널단면적을 제한하는 주요 요인으로 작용하고 있으므로 이에 대한 내용을 기술하고자 한다.
또한 보도시설은 유지보수원들의 통행뿐만 아니라 비상시 대피를 위한 공간으로도 활용된다. 따라서 이들 부속시설에 대한 설치기준, 설치규모 및 사례분석을 통하여 철도 터널단면 선정시 합리적이고 객관적인 가이드라인을 표14에서 제시하고자 한다.
본 장에서는 앞서 열거한 철도 터널단면 선정과 관련된 6가지의 주요 결정요소에 대해 제반규정 및 국내·외 설계기준을 만족함과 동시에 구조적 안전성, 시공효율성, 경제성 등 안전하고 경제적인 철도터널의 단면선정을 위한 각 항목별 최적안을 다음과 같이 검토하였다. 또한 각 항목에 대한 상세내용 및 검토사항은 최근에 수행되고 있는 국내 외 철도터널 설계사례 및 연구과제를 바탕으로 서술하였다.
본 고에서는 설계속도(200～350km/hr)의 변화에 따라 터널단면의 변화요인을 검토하고 고속화에 따른 설계기준, 선로중심간격, 전차선, 단면형상, 분야별 인터페이스 및 공기역학적인 문제 등 철도터널의 단면규모 결정요소에 대한 국내 외 철도터널 설계사례 및 기준분석 결과를 검토하여 경제성 확보를 고려한 철도터널의 최적단면 선정기법에 대하여 서술하고자 한다.
본 장에서는 앞서 열거한 철도 터널단면 선정과 관련된 6가지의 주요 결정요소에 대해 제반규정 및 국내·외 설계기준을 만족함과 동시에 구조적 안전성, 시공효율성, 경제성 등 안전하고 경제적인 철도터널의 단면선정을 위한 각 항목별 최적안을 다음과 같이 검토하였다.
이를 검토하기 위해서는 터널단면 및 열차운행속도 등을 변화시켜 터널 및 객차내 외부의 압력변동량을 측정하는 것이 정확한 결과를 얻을 수 있으나 현실적으로 수행하기에 많은 제약과 어려움이 수반되므로 본 검토에서는 해외자료와 호남고속철도 및 최근 수행된 수도권고속철도의 연구과제(철도기술연구원) 결과를 바탕으로 제시하였다.
이에 본 고에서는 고속화에 따른 철도터널의 단면규모를 결정짓는 상기 6가지 항목의 검토를 위하여 국내·외 기존 설계기준 및 각종 연구용역 결과를 바탕으로 검토하였으며, 항목별 설계기준이 제시되지 않은 사항에 대해서는 최근에 진행되고 있는 국내 설계자료와 해외 고속철도의 운행속도별 설계사례를 중심으로 비교 검토하였다.
이에 본 논문에서는 이러한 고속화에 따른 철도터널 단면규모의 결정요소에 대한 항목별 검토를 통해 철도터널 설계시 합리적이고 경제적인 표준지침 및 가이드라인을 제시하고자 한다.
이에 본 연구에서는 설계속도의 변화에 따라 철도터널 단면의 변화요인을 검토하고 고속화에 따른 설계기준, 선로중심간격, 전차선, 터널단면형상, 분야별 인터페이스 및 공기역학적인 문제 등 철도터널의 단면규모 결정시에 필요한 다양한 요소들에 대해 국내 외 설계기준, 해외사례 및 연구수행 과제를 통해 검토·비교하였으며, 이를 구체화하기 위하여 최근 수행한 수도권고속철도 설계자료 및 연구성과를 활용하여 그 결과를 제시하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
지금까지 앞 절에서는 일반 및 고속철도 터널의 단면설계시 공통 인자들을 살펴보았으나 이 절에서는 터널내 고속주행시 발생하는 공기역학적인 이명감 및 미기압파 등에 대해 기술하고자 한다. 고속주행시 터널단면적 설정을 위해서는 정해진 규칙은 없으나 최소한의 요건으로서 터널을 주행하는 동적 차량한계와 터널내부에 설치될 시설물간의 간섭이 없어야 한다는 것은 이미 앞에서(표9) 언급하였다.
제안 방법
국내에서 최근 수행되었던 호남고속철도 및 수도권고속철도의 연구과제를 통해 선로중심간격을 결정하였으며, 특히 본 고에서는 가장 최근에 수행되었던 수도권고속철도 연구과제(한국철도기술연구원)결과를 바탕으로 최적의 선로중심간격 결정을 표8에서 호남고속철도와 비교하여 제시하였다.
다음 표10, 표11에서는 국내 및 해외의 전차선 가고 시스템 현황에 대해 검토하였으며 설계속도에 따른 전차선 표준가고 및 터널에서와 같이 제한된 공간에서의 가고 축소가능 높이에 대해 검토하였다.
그러나 터널단면은 앞서 설명한 제반규정에 따라 선정하는 기법외에 시공성, 안정성 및 경제성 등을 확보해야 하는 현실적인 제약사항 등도 포함하게 된다. 다음의 표12는 고속철도, 일반철도 및 고속도로 터널의 단면형상을 상대적으로 비교 검토하였다.
본 고에서는 터널 입구에서의 압축파의 압력기울기, 터널내에서 전파되는 압축파의 압력기울기, 출구에서의 미기압파의 압력기울기, 열차 선두부 형상, 터널 갱구 형상, 열차속도, 터널 단면적 등을 인자로 하여 미기압파를 예측하였다.
본 논문에서는 철도터널 단면규모 결정시 요구되는 주요 결정요소에 대한 국내 외 설계기준을 다음 표2에 항목별로 간략하게 제시하였으며 상세내용 및 검토사항은 3절에서 제시하였다.
이에 본 검토에서는 국토해양부에서(고시제2009-832호) 최근 개정된 철도건설규칙(철도의 건설기준에 관한 규정 제14조)의 국내기준(표4)과 일본을 비롯한 유럽 등의 해외 설계기준(표5, 표6) 및 사례(표7)를 종합분석하여 검토하였다. 아울러 최근에 수행되었던 호남고속철도 및 수도권고속철도의 연구과제를 통해 최적의 선로중심간격을 결정하였으며 이를 국내 외 설계기준과 비교하여 표8에 제시하였다.
이에 본 검토에서는 국토해양부에서(고시제2009-832호) 최근 개정된 철도건설규칙(철도의 건설기준에 관한 규정 제14조)의 국내기준(표4)과 일본을 비롯한 유럽 등의 해외 설계기준(표5, 표6) 및 사례(표7)를 종합분석하여 검토하였다. 아울러 최근에 수행되었던 호남고속철도 및 수도권고속철도의 연구과제를 통해 최적의 선로중심간격을 결정하였으며 이를 국내 외 설계기준과 비교하여 표8에 제시하였다.
수도권고속철도(수서～평택)는 도심지 구간을 대심도로 통과하는 고속철도로 단일터널(약 55km) 규모로는 국내 최장대 터널로 일반구간과 다르게 자연 횡풍의 영향을 받지 않아 호남고속철도 선로중심간격 결정시 고려되었던 풍속 20m/sec에 대한 풍압력의 영향을 고려할 필요가 없게 되었다. 이에 선로중심간격 결정시 고려한 주행안전성 평가항목인 윤중감소율, 횡압, 탈선계수에 대하여 선행연구에서 사용되었던 차량 동특성 데이터의 자연 횡풍 20m/sec에 대한 풍압(p)을 제외한 값이 적용되었다.
즉, 이명감 기준을 적용하여 터널 기준 단면적을 산정한 다음, 이 단면적에서 이명감 및 미기압파 등에 대한 이론해석 및 전산해석을 통해 터널단면적을 결정한 후, 터널내 설치되는 시설물의 간섭여부를 검토하여 최종적으로 터널단면적을 결정하게 된다. 이러한 과정에 대해 그림2는 수도권고속철도의 터널단면적 결정과정을 보여주고 있으며 이러한 터널단면적 결정과정은 수도권 고속철도 연구수행과제(한국철도기술연구원)결과를 통해 이명감에 대한 만족여부를 검토하였다.
특히, 표10의 국내 전차선 가고 시스템 검토는 크게 고속철도와 일반철도로 구분하였으나 최근 국가 철도정책과 관련한 신규 건설노선의 설계속도가 점차 고속화 됨에 따라 일반철도의 범주를 200km/hr 이상의 고속화 속도대역별로 구분하여 검토하였다. 따라서 본 고에서 제시한 전차선 가고에 대한 검토는 설계완료 되었거나 현재 진행되고 있는 설계사례 및 연구과제를 토대로 기술하였으므로 향후 기술력 재고를 위해서라도 고속화에 따른 전차선분야에 대한 지속적인 연구개발 및 기준정립이 요구된다.
대상 데이터
직선구간의 일반의 경우 표3 그림에서와 같이 차량한계의 레일면상 높이 4,800mm에 350mm의 간격을 두어 5,150mm가 되었고, 폭은 차량한계의 폭 3,600mm에서 양측으로 300mm의 여유를 두어 4,200mm가 되었다. 전기차전용구간은 가공전차선 표준높이 5,400mm에 현수장치가 필요한 300mm, 조가선과 급전선의 이격거리 550mm 및 여유거리 200mm가 확보되어 산정되었다. 전동차 전용선인 경우에는 도시철도건설규칙이나 지방자치단체에서 시행하는 지하철 및 도시철도와의 연계성 등을 고려하여 건축한계의 기준을 설계기준 등에서 각 선로구간의 특성에 맞도록 별도로 정하여 적용하여야 한다.
성능/효과
1) 철도터널의 단면규모 결정을 위해서는 터널목적, 기능성, 안정성, 편의성 및 경제성에 따른 건축한계, 선로중심간격, 전차선, 터널단면형상, 인터페이스 시설물 수용한계 및 공기역학적 등의 6가지의 결정 요소들이 지배적이고 철도터널 단면규모 결정시 반드시 선행되어 검토되어야 한다.
3) 선로중심간격은 철도터널의 폭원과 내공단면적을 좌우하는 절대적인 요소이다. 터널내에서 고속의 속도로 열차가 교행하는 순간 열차풍의 영향은 상대열차에 횡력으로 작용하며, 이로 인하여 증가되는 차량간의 압력변동과 횡방향 가속도의 변화는 선로중심간격 결정에 주요 변화요인으로 작용한다.
4) 전차선은 터널단면적을 결정짓는 시스템분야의 인터페이스 중요요소로 터널 단면축소 영향인자로는 전차선 가고, 장력조절장치 및 절연이격거리 등이 있으며 전차선 높이와는 무관하다. 현재 국내 전차선 표준가고 기준은 속도대역별로 구분하여 제시되어 있으나, 최근 신규 건설노선의 설계속도가 점차 고속화됨에 따라 일반철도의 범주를 200km/hr이상의 고속화 대역으로 변화되고 있는 실정이다.
5) 터널단면의 형상은 지금까지 제시된 결정요소들의 설계기준과 관련한 제반규정과는 다르게 시공성, 안정성 및 경제성 등을 확보해야 하는 현실적인 제약사항 등을 포함하게 된다. 따라서 터널단면 설계 시 앞서 제시한 결정요소들을 만족하면서 불필요한 공간을 최소화가 되도록 설계하여야 한다.
검토결과 단면작성을 위해 곡선반경(R)의 수를 증가할수록 불필요한 공간이 감소되어 굴착 단면적이 축소하는 결과를 보여주고 있으며 이는 굴착량 감소라는 경제성 측면에서 유리하게 작용할 것으로 판단된다. 그러나 곡선반경(R)의 수가 증가할수록 공사비 측면에서는 절감되어 유리하나 터널 굴진을 위한 시공관리(측량, 격자지보 설치 등)측면에서는 다소 불리하게 작용할 것으로 판단되므로 터널단면 설계시 터널의 규모, 현장여건 및 설계 가중치 등의 종합적인 검토를 통해 곡선반경(R)의 수를 적정하게 채택하여 시공성, 안정성 및 경제성 측면을 합리적으로 만족할 수 있는 단면선정이 되도록 하여야 한다.
따라서 본 고에서는 현재 전차선과 관련하여 국내(표9)에서 제시되고 있는 ‘철도의 건설기준에 관한 규정(2009)’ 및 ‘철도전철전력설비시설지침(2010)’ 등에서 제시하고 있는 관련규정을 검토한 결과 가공전차선로의 전차선 공칭높이는 전차선로 속도등급에 따라 5,000mm에서 5,200mm를 표준으로 하고 있다.
0m에서 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 위 각각의 검토결과를 종합하면 수도권고속철도에서의 선로중심간격은 4.5m로 적용 가능한 것임을 알 수 있다.
즉, 터널단면적 결정과정(그림2)을 통해 구한 터널 단면적이 압력기준에 의하여 구한 터널 단면적보다 작으면 압력기준에 의하여 구한 터널 단면적이 결정 단면적이 되지만 반대일 경우는 압력기준에 의하여 구한 터널 단면적은 제한 조건이 되지 않으며, 시설물 배치에 의한 단면적이 결정 단면적이 된다. 또한 공기역학적인 결과값이 기준값을 초과하더라도 과업의 특성(터널 규모, 현장여건 등)을 종합적으로 판단하여 터널단면적 확대보다 완충시설에 대한 감소효과로 유도하여 경제성 및 시공성 등을 종합적으로 판단하여 결정하여야 한다.
7m부터 허용 기준값에 근접하거나 초과하는 경향을 보이고 있다. 반면 수도권고속철도의 경우에는 횡풍 배제에 의한 횡압의 감소율을 적용하면 선로중심간격 4.5m에서 허용기준을 만족하는 것으로 나타났으며 다른 평가항목인 횡압 및 탈선계수는 횡풍의 영향을 고려한 경우나 배제한 경우 모두 선로중심간격 4.5～5.0m에서 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 위 각각의 검토결과를 종합하면 수도권고속철도에서의 선로중심간격은 4.
참고로 해외(표9)의 경우 EN 50119(2001)에 전차선 높이의 관련내용이 기술되어 있으나 UIC 606-1 OR의 내용중 핵심만을 요약한 것으로 되어 있으며, 표9에서처럼 UIC 799 OR(2002)에서는 전차선 높이에 대하여 기술하고 있다. 상기의 국내 외 설계기준을 분석하여 철도의 전차선 시스템 비교결과 전차선 높이는 설계속도의 변화와는 관계없는 사항이며 전차선의 가고높이 및 절연이격거리에 따라 터널높이가 변화됨을 알 수 있다.
7m의 선로중심간격을 유지하고 있었다. 특이할만한 것은 이 구간의 시공시기가 1979년도로 최근사례일수록 선로중심간격이 점차 축소되고 있음을 알 수 있었다.
이러한 과정에 대해 그림2는 수도권고속철도의 터널단면적 결정과정을 보여주고 있으며 이러한 터널단면적 결정과정은 수도권 고속철도 연구수행과제(한국철도기술연구원)결과를 통해 이명감에 대한 만족여부를 검토하였다. 표16은 수도권고속철도 이명감 기준에 대해 열차속도 및 터널단면적별로 객차내 압력변동 해석결과를 정리하였으며 이론해석 및 전산해석에 의한 이들 결과값은 터널단면적 89.5m2까지 만족하는 것으로 나타났다.
표17은 수도권 고속철도에서 수행한 터널 출구에서의 미기압파에 대한 해석결과로 이론해석에 의한 미기압파 측면에서는 차량의 터널 진입속도 300km/hr이하에서는 모두 기준값을 만족하지만, 350km/hr이상의 차량속도로 터널을 진입하는 경우, 터널 출구 중심으로부터 20m지점에서의 기준값인 50Pa을 초과하는 것으로 나타났다.
후속연구
7) 공기역학적 검토는 설계속도가 고속화 됨에 따라 터널내 고속주행시 발생하는 이명감 및 미기압파 등에 대해 검토해야 한다. 즉, 터널단면적 결정과정(그림2)을 통해 구한 터널 단면적이 압력기준에 의하여 구한 터널 단면적보다 작으면 압력기준에 의하여 구한 터널 단면적이 결정 단면적이 되지만 반대일 경우는 압력기준에 의하여 구한 터널 단면적은 제한 조건이 되지 않으며, 시설물 배치에 의한 단면적이 결정 단면적이 된다.
특히, 표10의 국내 전차선 가고 시스템 검토는 크게 고속철도와 일반철도로 구분하였으나 최근 국가 철도정책과 관련한 신규 건설노선의 설계속도가 점차 고속화 됨에 따라 일반철도의 범주를 200km/hr 이상의 고속화 속도대역별로 구분하여 검토하였다. 따라서 본 고에서 제시한 전차선 가고에 대한 검토는 설계완료 되었거나 현재 진행되고 있는 설계사례 및 연구과제를 토대로 기술하였으므로 향후 기술력 재고를 위해서라도 고속화에 따른 전차선분야에 대한 지속적인 연구개발 및 기준정립이 요구된다.
현재 국내 전차선 표준가고 기준은 속도대역별로 구분하여 제시되어 있으나, 최근 신규 건설노선의 설계속도가 점차 고속화됨에 따라 일반철도의 범주를 200km/hr이상의 고속화 대역으로 변화되고 있는 실정이다. 따라서 터널단면적 최적화를 위해서는 터널에서 적용할 가고의 축소가 필수적이므로 향후 기술력 재고를 위해서라도 고속화에 따른 터널내 전차선 분야에 대한 지속적인 연구개발 및 기준정립이 필요하다.
전차선 높이는 승객과 보수종사원에 대한 직접적인 접촉 또는 유도에 의한 전기적 안전 측면에서 위험요소가 될 가능성이 있으므로 특별히 경제적 이점이 부각되지 않는다면 전차선의 높이를 낮추는 것은 바람직하지 않다. 또한 전차선 높이는 기존 시스템과의 연관성과 일치성도 무시할 수 없는 중요한 고려요소이며 향후 기술의 발전과 수요와 요구의 변화에 따라 차량한계의 변경가능성도 염두에 두는 것이 바람직하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근의 철도교통 시설확충이 늘어나는 이유는 무엇인가?
최근에는 지역간 교통난 문제해결과 급속도로 팽창하는 기간산업의 수요를 충족시키기 위하여 철도교통 시설확충이 늘어가는 실정이다. 또한 미래를 위한 새로운 패러다임으로 ‘저탄소 녹색성장’을 새로운 국가비젼으로 제시한 정부정책의 변화에 따라 에너지원의 효율적, 환경친화적, 이용에 걸맞는 쾌적하고 지속가능한 녹색교통 체계를 구축해야 한다는 사회적 요구가 날로 증대되고 있는 실정이다.
설계속도의 고속화에 따른 터널단면에는 어떠한 점들이 고려되어야 하는가?
또한 설계속도의 고속화에 따른 터널단면은 건축한계 및 인터페이스(전차선, 전기, 신호, 통신설비 등)의 설치공간 등 일반철도 터널단면의 설계시 고려사항 이외에 고속화에 따른 터널내의 급격한 압력변동으로 인한 객차 내 승객의 이명감 및 터널출구에서의 소음공해 등을 유발하는 미기압파 등의 공기역학적인 문제점들을 종합적으로 고려하여야 한다.
터널내 전차선 분야의 지속적인 연구가 필요하다고 보는 이유는?
4) 전차선은 터널단면적을 결정짓는 시스템분야의 인터페이스 중요요소로 터널 단면축소 영향인자로는 전차선 가고, 장력조절장치 및 절연이격거리 등이 있으며 전차선 높이와는 무관하다. 현재 국내 전차선 표준가고 기준은 속도대역별로 구분하여 제시되어 있으나, 최근 신규 건설노선의 설계속도가 점차 고속화됨에 따라 일반철도의 범주를 200km/hr이상의 고속화 대역으로 변화되고 있는 실정이다. 따라서 터널단면적 최적화를 위해서는 터널에서 적용할 가고의 축소가 필수적이므로 향후 기술력 재고를 위해서라도 고속화에 따른 터널내 전차선 분야에 대한 지속적인 연구개발 및 기준정립이 필요하다.
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