1. 서론

철도가 탄생한 이래 양호한 궤도상태를 유지하기 위하여 항상 보수작업을 필요로 하여 왔다. 그래서 종래의 밸러스트(ballast) 궤도와 달리 보수작업을 근본적으로 경감하는 슬래브 궤도 등의 효율성 높은 궤도가 개발되어 그 부설연장도 증가하고 있다.

여기서는 주행안전성, 승차감 등의 서비스 수준, 보수비용, 차량주행에 의한 소음, 진동 등의 궤도기술을 둘러싼 과제 중에 보수비용과 소음, 진동 등에 관한 대응에 대하여 소개한다. 특히, 앞으로 여러 가지 면에서 개발이 기대되는 레일손상 억제기술과 밸러스트 궤도의 침하억제를 위한 기술을 평가하는 모델과 보수 효율성, 저소음을 도모하는 실용화를 위한 검토가 추진되고 있는 새로운 형태의 레일을 궤도구조에 도입한 신형식의 궤도를 소개한다.

2. 궤도기술의 과제와 대응

궤도기술의 주요 분야와 과제에 대하여 최근 철도종합연구소가 실시하고 있는 과제와 그 후의 발전을 염두에 두고 대충 분류해 보면, 현재 철도종합연구소에서 수행하고 있는 과제는 주행안전성, 승차감 등의 서비스 수준, 보수비용, 소음/진동 등의 연선 환경분야로 나누어진다.

앞으로 사회 니즈(needs)에 대응하는 기술혁신을 추진하기 위해서는 이미 이전에 직면한 저출산, 고령화 사회에서 노동력 및 숙련기술자의 부족을 충분히 고려할 필요가 있다. 앞으로 더욱 더 이러한 경향이 강해질 것으로 생각되나, 한편 어려운 경제정세에 서비스 수준의 향상도 중요하기 때문에 보다 고도의 보수를 가능한 빠짐없이 실현할 수 있는 새로운 궤도 보수시스템 구축이 중요하다.

지금까지의 지식과 경험을 충분히 살린 고도로 지능화된 궤도 보수계획 지원시스템과 관성측정법 등으로 추적하고 있는 영업차량 등에 의해 궤도변위뿐만 아니라 궤도상태의 파악이 가능하여 예전보다 저렴한 검사 및 측정시스템이 중요하다.

또한, 밸러스트 궤도 침하에 대한 억제기술에 관해서는 침하 또는 노화현상을 이해하고, 효과적으로 저가의 침하억제대책을 개발하기 위하여 평가모델의 구축이 중요하다. 일반적으로 레일을 대표로 하는 궤도재료의 손상 억제기술에 관해서도 대상이 되는 파괴현상을 이해하고, 확실하고 효과적인 억제대책을 개발하기 위한 평가모델의 구축이 중요하다.

또한, 진동/소음 등의 연선 환경에 관해서도 철도를 둘러싼 사회정세에 대응하기 위해서라도 저탄성, 고감쇠화 등에 의한 진동저감과 함께 여러 가지 분야의 신재료와 검사기술의 발전을 토대로 한 보수면에서 뛰어난 새로운 궤도구조의 검토가 중요하다. 지금까지의 사회에 적합한 궤도기술의 혁신을 위하여 여러 가지 시점에서 과제를 유출하고 그것들을 총괄하고 구체적인 시스템 구축을 가능하게 하는 평가기술이 중요하다.

(그림) 궤도기술의 주요분야와 과제

3. 레일의 손상제어 기술 평가

레일 손상억제에 관한 중요한 과제로서 접촉피로와 마모가 있으며, 그 밸런스를 고려하여 레일 삭정(削正) 등의 보수작업과 윤활효과를 고려한 적절한 재료의 투입으로 보수비용을 가능한 한 저감할 수 있을 것으로 기대된다.

(그림) 레일의 주요 손상 사례

예를 들면, 여러 가지 선형과 구배에서 건설된 다양한 형태의 궤도구조에서 보통 레일과열처리 레일 중 어느 쪽을 부설하지를 판단한 뒤, (1) 그 궤도를 주행하는 차량의 성능과 주행조건(역행, 타행(惰行, 타력으로 진행), 브레이크)에 따른 윤중(輪重), 횡압, 구동력과 브레이크력이라는 레일에 작용하는 외력을 같은 것으로 인정하고, (2) 그 외력으로 발생하는 응력 등과 보통 레일 및 열처리 레일의 재료특성에 의존한 마찰 진행도와 손상 발생경향(균열 진행도)를 파악하고, (3) 그 마찰 진행도와 균열 진행도에 차륜/레일 사이의 윤활에 의해 마찰 저감효과와 균열촉진효과를 고려하여, (4) 그리고 삭정에 의한 균열예방 또는 균열 저감효과도 고려하는 것이 중요하다. 그러한 검토에 의해 보수작업 또는 시책을 고려하여 보수비용을 최소화하는 레일 종류별의 선택이 가능하다.

그러기 위해서 레일 접촉표면 부근에서 발생하는 응력, 일그러짐을 정밀하게 요구하는 차량운동 시뮬레이션 프로그램에서 얻은 곡선통과 시의 횡압과 어텍각(角) 등을 입력조건으로 하는 윤축(輪軸)과 좌우레일의 “삼차원 탄소성(탄성과 소성) 유한요소 모델”, 피로손상 누적계산을 적용한 “짧은 균열의 진전과 마찰의 통합모델”, 경계요소법에 의한 K값 해석과 균열 촉진속도를 이용한 “수평열의 진전 및 분기모델”, Meshfree 경계절점법을 이용한 “횡열(？裂)의 진전모델” 및 마모가 우세한 경우 이용하는 “레일 마모 형상 예측 모델”이 구축되어 적절한 재료투입을 위한 균열성장과 마모 진행도의 균형을 평가하는 시도에 대하여 소개한다.

(그림) 레일 손상모델의 전체 구성

지금까지도 접촉피로와 마모의 균형에 주목한 레일 전체 수명모델 등이 제안되고 있으나, 그것들은 파괴역학에서 취급되는 균열을 전제로 한 것이다. 따라서 균열의 발생에 주목하고 마모와의 균형을 고려한 모델은 아직 미해명의 부분도 포함되어 한정된 조건에서지만, 수치해석 등 앞으로의 발전을 염두에 두고 구축을 시도한 것이다.

4. 밸러스트 궤도 노화 제어 기술 평가

밸러스트 궤도는 배수성, 시공성, 보수 간편성 등 많은 장점을 가진 반면에 열차주행에 의한 동적 하중이 반복하여 장기적으로 작용함으로써 밸러스트의 마모와 파괴, 침하 등의 노화현상이 일어나기 때문에 정기적으로 보수할 필요가 있다.

궤도의 반복적 하중에 의한 침하 메커니즘을 분명히 하기 위해서는 밸러스트가 어떠한 거동을 하는가를 분명히 밝힐 필요가 있으며, 그것으로 밸러스트의 어떠한 거동을 억제하는 것이 궤도침하의 억제로 이어질 것인지 분명히 밝혀질 가능성이 있다. 그러기 위해서 침목의 형상과 개량(예를 들면 탄성 침목은 밸러스트가 진동가속도를 대폭적으로 감속시키는 등 많은 지식을 얻을 수 있으나), 그리고 특별한 부재 또는 구조를 검토하는 것은 효과적이다.

밸러스트 궤도노화를 예측하는 모델은 차량구조, 궤도구조, 주행조건 제원을 입력하고, 열차통과 시에 궤도에 발생하는 동적 하중을 요구하는 “차량/궤도 구조계 모델”, 도상(道床)모델을 위해 입력파형을 요구하는 “궤도구조 유한요소 모델”, 침목에 발생하는 동적응답과 밸러스트에 전달되는 하중특성을 재현하는 “도상구조 삼차원 개별요소법 모델”이라는 궤도노화에 관련하는 밸러스트 입자의 난산적 동적 거동을 파악하기 위한 세 개의 서브모델로 이루어진다.

여기서 구축한 모델을 기본으로 밸러스트의 동적거동을 파악하고, 밸러스트 도상의 어느 부분에 어떻게 감쇠기능을 부여하는가 또는 구속하는 것이 침하억제에 의해 효과적인가를 검토할 수 있다. 물론 침목의 형상과 강성 및 배치 갯수 등 여러 가지 시점에서 보수비용저감에 대하여 검토 가능하다. 한편, 밸러스트의 진동가속도와 동적 거동이 보다 분명하게 되면 그것들을 반영한 새로운 밸러스트 궤도침하측의 구축을 기대할 수 있다.

5. 절약형 보수 및 저소음 신형 궤도

밸러스트 궤도의 침하억제에 관한 연구가 추진되는 한편, 해외에서는 네덜란드를 시작으로 독일과 영국에서 보수비용의 삭감을 지향한 다양한 직결계 궤도가 개발되거나 개발이 추진되고 있다. 따라서 신설 선로를 대상으로 한 앞으로의 노동력 부족, 진동/소음의 환경문제 등에 대한 대응, 그리고 건설비용 및 운영비용의 감축에도 적극적으로 대응하기 위해 기존의 궤도구조에서 벗어난 레일 매몰형의 신형식 궤도의 노반을 포함한 구조에 대하여 시공법과 관리법 및 환경특성평가의 면에서 검토결과를 소개한다.

(1) 신형식 궤도구조와 시공법

처음으로 레일 매몰형 신형식의 궤도 구조에 대하여 신단면 형상 레일 및 레일 용접법, 레일 지지부 주변구조, 신형식 궤도의 시공법과 궤도 구조경계부의 구조에 대하여 소개한다.

(그림) 신형식 궤도의 단면 모식도

(2) 신형식 궤도용 노반구조와 시공법

종래의 슬래브 궤도 등의 이산(離散)지지와 달리 레일을 연속 지지시킨 신형식 궤도를 적절하게 지지하여, 보수비용을 대폭적으로 삭감하기 위해 개발한 단섬유 보강 콘크리트로 이루어진 상부노반과 시멘트 안정 처리재로 이루어진 하부노반에서 구성되는 흙구조물 위의 노반구조를 개발하였다.

(그림) 단섬유 보강 콘크리트 노반

(3) 신형식 궤도의 관리, 정정(整正)법 개발

레일 연속지지, 매몰형의 신형식 궤도에서는 궤도변위, 레일마모 등의 검사는 종래기술로 대응할 수 있으나, 레일을 직접 지지하는 탄성재에 대해서는 노화의 정도를 파악하는 방법이 없기 때문에 축상 상하 진동가속도(축상 가속도)를 이용하여 레일 지지 강성을 추정하고, 탄성재의 노화상태를 평가하는 방법을 개발함과 동시에 매몰된 탄성재가 비교적 쉽게 교환 가능하다는 것을 파악하였다.

(4) 신형식 궤도의 환경특성의 평가

신형식 궤도와 슬라브 궤도를 부설하여 그 시공성을 확인함과 동시에 환경특성을 평가하기 위한 모터 카 주행시험을 실시하였다.  

(그림) 신형 궤도의 외관

6. 앞으로의 과제 및 전망

최근 특히, 보수비용과 연선환경의 면에서 궤도기술에 관하여 얻은 성과를 소개하였다. 보수량을 합리적으로 저감하기 위하여 중요한 레일보전과 현재도 많이 부설되어 있는 밸러스트 궤도의 노화억제를 평가하는 모델에 대해서는 마모와 손상에 관한 여러 가지 기초적인 모델을 레일에 응용하는 방향성이 타당하다는 것이 확인되었다. 그러나, 사용하는 파라미터의 타당성을 보다 한층 검증할 필요가 있다는 것과 개개의 모델을 조합하여 대상으로 하는 궤도구조에 부설하는 레일을 보통 레일로 할 것인지, 열처리 레일로 할 것인지 아직까지 선택할 수는 없다.

또한, 밸러스트를 입상체로 하는 개별요소법 등에서의 해석모델에 대해서는 계산상의 제약 등도 있으며, 아직 충분한 성과를 얻지 못하였기 때문에 지금까지의 성과를 토대로 더욱 노력이 필요하다. 한편, 숙련기술자의 부족 면에서 효율적인 보수와 저소음을 도모하기 위한 실용화 검토가 추진되고 있는 새로운 레일형상을 매몰한 신형식 궤도에 대해서는 영업선 등의 시험부설까지 가능하게 되었으나, 구체적인 시험부설을 위한 대응이 요구된다.

궤도기술의 혁신으로서 현재 대응하고 있는 보수비용의 철저한 저감과 연선환경의 향상을 위한 여러 가지 기술을 평가하는 방법을 보다 한층 발전시키는 것이 중요하다. 특히, 차륜과 레일의 접촉과 밸러스트의 입상체로서 거동을 포함하는 차량과 궤도의 다이나믹스에 관하여 아직 미해명 현상의 해명을 위한 대응을 추진할 필요가 있다. 이러한 과제에 대해서는 철도시뮬레이션 등에 의한 보다 고도의 해석기술의 구축으로 차륜/레일접촉과 밸러스트의 동적 거동의 해석을 가능함과 동시에 차량과 궤도쌍방의 협조가 기대된다.

▣ 원문제목 : 軌道技術の革新