열차 멈추는 일 없이 궤도를 수리한다
-자동화 장비 이용한 콘크리트궤도 급속보강기술-
"콘크리트궤도에 문제가 생겨도 열차의 운행 중단하는 일 없이 몇 시간 만에 침하와 변형을 수리해서 정상화한다"
[연구자 레터]
자갈궤도의 대안으로 떠오른 콘크리트궤도는 유지보수 비용이 적다는 장점과 더불어 하부노반의 침하로 인해 변형이 발생하기 쉽다는 단점도 있다.
한국철도기술연구원이 개발한 ‘콘크리트궤도 급속보강기술’은 3시간 가량의 야간 작업만으로도 궤도의 침하를 복원할 수 있는 혁신적인 신공법이다.
특히 복원재료, 주입장비, 제어장치 등을 별도 개발하고 자동화 시스템을 구축해 보강작업의 속도와 정확성을 높였으며 도로와 항만 등 타 분야에도 적용이 가능하다.
열차가 지나가는 선로는 크게 ‘자갈궤도’와 ‘콘크리트궤도’의 두 가지 방식으로 나뉘어 건설된다.
자갈 궤도는 철로 아래 놓인 나무 침목과 수많은 돌멩이가 충격을 흡수해 소음과 진동이 적다는 장점이 있다. 정밀한 수준의 설계가 필요하지 않아 설치가 용이하다.
그러나 오랜 사용으로 자갈층이 내려앉으면 전용장비를 이용해 다시 손질을 해야 하므로 유지보수 비용이 많이 든다.
대안으로 등장한 것이 콘크리트궤도다. 침목과 기반이 모두 콘크리트로 이루어져 주행 안정성이 높고 먼지 발생량이 적다.
유지관리비를 대폭적으로 절감시킬 수 있어 갈수록 비율이 늘어나는 추세다.
최근 건설된 대도시의 지하철, 고속철도(KTX), 경전철 등은 대부분 콘크리트궤도를 채택했다. 제2단계 경부고속철도와 호남고속철도 등 향후 국내 철도 건설에는 대부분 콘크리트궤도를 적용하고 있다. 콘크리트궤도의 단점도 존재한다.
설계와 시공에 높은 정밀성이 요구되며 소음과 진동 제거 능력도 자갈 도상에 비해 약한 편이다. 반면에 건설 비용이 자갈 궤도보다 더 소요된다.
게다가 이음매의 단차, 국부적인 침하, 배수 불량에 의한 연약화 등 궤도의 하부노반에서 문제가 발생할 경우 반복적인 문제점을 일으킬 가능성이 높다.
일정 기간 동안 열차를 차단하고 보수와 보강업을 해야 하지만 영업선의 운행을 중단하는 것은 현실적으로 불가능하다.
한국철도기술연구원이 개발한 ‘콘크리트궤도 급속보강기술’은 열차의 운행에 지장을 주지 않으면서도 콘크리트궤도를 신속히 보수할 수 있는 방법이다.
운행중단 없이도 빠른 시간 안에 궤도 노반의 지지력을 늘리고 침하를 억제시킴으로써 운행 안정성을 확보하고 승차감을 향상시킬 수 있다.
향후 과도한 궤도 뒤틀림이나 대규모 노반 변형에 대한 정밀보수 작업에 있어서는 유일한 대안이 될 것으로 예상된다.
철도 인프라가 풍부하고 관련기술이 발달해 ‘철도 왕국’이라 불리는 일본도 콘크리트궤도의 변형을 겪고 있다.
철도 선진국이 모인 유럽에서도 콘크리트궤도의 사용성을 높이기 위한 유지보수 기술의 개발을 활발히 진행하고 있다.
콘크리트궤도의 가장 큰 취약점은 궤도 하부노반이 가라앉는 침하 현상이다.
특히나 침하나 변형 등의 문제 발생 시 보수와 복원에 장시간이 소요되는 것도 단점이다.
콘크리트궤도 처짐현상
콘크리트궤도 침하복원공법의 개발 공정
열차를 세우지 않고 수리하는 혁신 기술
우리나라에서 개발된 ‘콘크리트궤도 급속보강기술’은 궤도가 침하한 경우 3시간 가량의 야간 차단시간 동안 복원과 시공을 마친다.
익일 열차 운행에도 지장이 없어 혁신적인 보수 공법으로 불린다. 현재로서는 침하 문제에 가장 합리적으로 대처할 수 있는 공법이며, 향후 콘크리트궤도를 주행하는 고속철도의 주행 안정성을 확보하고 유지보수비를 대폭 절감할 수 있는 공법이다.
아직 연구개발이 진행 중임에도 불구하고 침하와 균열로 인한 긴급상황이 발생한 일부 구간에 본 공법을 적용해 효과를 증명한 바 있다.
한국철도기술연구원은 복원재료, 주입장비, 제어장치 등 전반적인 장비를 일괄적으로 개발해 효율을 높였다.
마이크로시멘트를 베이스로 하는 급결용 복원재료는 시간당 5kgf/㎠ 이상의 능력을 보인다.
주입 공정을 자동화하는 데 필수적인 중앙제어장치는 128채널 확장을 통한 동시복원이 가능하다.
통합 ASV밸브 유니트를 개발해 개별 주입장비를 시스템화함으로써 시공시간도 단축했다.
본 공법의 핵심은 제한된 시간 내에 ±1mm 단위로 정밀하게 복원하는 기술이다.
콘크리트궤도는 열차가 300km/h로 고속주행하기 때문에 최고수준의 정밀도를 요구하는 토목구조물로서 오차의 발생을 허용하지 않는다.
이를 확보하기 위하여 반복, 순환주입방식을 적용하여 정밀제어를 가능하도록 하였다.
1회 주입 시 주입시간이 0.5초 이내 이고 주입량도 소량이다.
목표치를 복원하기 위해서는 반복적인 주입이 중앙제어장치에 입력된 순서대로 진행된다.
주입시간 동안은 지속적인 모니터링을 통하여 확인 작업을 병행한다.
본 공법은 원래 콘크리트궤도용으로 개발되었지만 도로, 항만, 공항, 구조물 등에도 널리 적용이 가능하다.
사회 인프라 유지보수 분야 전체에 가져올 파급효과도 클 것으로 예상되는 부분이다.
또한 콘크리트궤도를 운용하는 나라라면 어디나 겪고 있는 침하 문제를 가장 합리적인 방법으로 개선하는 신공법이다.
일본에서도 우리나라의 기술을 벤치마킹하여 현재 후속 연구 중이다. 2012년부터는 중국철도과학연구원(CARS)와 공동연구를 추진키로 합의하기도 했다.
궤도에 문제가 발생해 유지보수를 하게 되면 열차가 정상 주행속도로 운행할 수 없게 된다.
이로 인해 여객과 화물 수송에 차질이 발생하면 커다란 손실이 불가피하다.
이용객들도 열차의 지연과 연착으로 인해 불편을 겪게 된다. 본 공법은 운행 중지 없이도 열차의 안전을 확보하고 정시성을 유지시킴으로써 국민의 생활환경을 개선하는 데도 기여할 것이다.
침하복원공법의 개념
침하복원공법의 적용
중앙제어장치 통합형ASV밸브 유니트주입 후의 형상
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