2020년 12월 2일, 수요일


국토와교통

2020년 11월호
(통권 436호)


측면부 후설치 앵커 적용 교량상 급속경화 콘크리트궤도 시공기술


  김정현 기자     입력 2020/10/08 (목)



200㎞/h 이상 고속 운행선에서 교통 지연 없이 자갈궤도 개량
 
200㎞/h 이상의 고속 운행선에서 교통 지연 없이 자갈궤도를 개량하는 급속경화궤도 기술이 나왔다. 철도 교량에서 자갈궤도를 설치할 때 열차 차단시간 동안 궤도를 시공해야 한다. 이 기술은 철도 교량상 자갈궤도를 초속경 시멘트 모르터로 충진·경화하여 자체 개발된 강재 브래킷과 후설치 앵커를 통하여 교량 바닥판과 일체화하는 기술이다.
 
열차운행에 따른 시·제동 하중 및 횡방향 하중을 교량구조로 전달하는 궤도구조를 갖고 있다. 횡방향 전단연결재가 시공되는 강재 브래킷과 강재 브래킷을 통과해 수직방향으로 교량 바닥판에 설치되는 후설치 앵커를 적용한다.

신기술을 활용하면 열차 차단시간 이내에 자갈궤도를 효과적으로 개량할 수 있다. 또한 운행선의 교통 지연을 최소화할 수 있으며 이를 통해 이용 승객의 불편을 최소화할 수 있다. 이러한 궤도 안전성과 개량 연장 확대를 바탕으로 철도 운행속도의 향상이 가능해진다.

한국철도기술연구원과 ㈜천경기업이 개발한 측면부 후설치 앵커를 적용한 교량상 급속경화 콘크리트궤도 구조 및 시공기술은 이러한 기술력을 바탕으로 교통신기술 제49호로 지정됐다.
 
■ 기술개발자
 · 한국철도기술연구원 (원장 나희승)
   경기도 의왕시 철도박물관로 176
   www.krri.re.kr
 · ㈜천경기업 (대표이사 이순구)
   서울시 구로구 디지털로34길 55, 210호
■ 교통신기술 제49호
   보호기간 : 2020. 06. 01 ~ 2025. 05. 31 (5년)
 
 
 
자갈궤도 단점 보완한 급속경화 콘크리트궤도 기술

자갈도상궤도는 열차의 반복하중에 의해 점진적으로 파괴가 진행되는 구조를 가지고 있다. 이에 따라 침하 및 궤도틀림을 줄이기 위하여 지속적인 유지보수작업을 필요로 한다.

자갈궤도로 부설된 구간은 고속으로 열차가 운행할 경우 열차에 의한 자갈입자의 이동과 재배열, 마모, 노반 관입 등 자갈 도상의 열화에 의해 궤도틀림이 지속적으로 증가하는 단점이 있다. 이에 따라 유지보수비용 뿐만 아니라 열차의 서행과 운행시간 차질, 승차감 저하, 탈선 위험 증가, 궤도 수명 감소의 원인으로 작용하게 된다.

이를 해결하기 위해 최근에는 급속경화 콘크리트궤도가 확산되고 있다. 급속경화궤도 시공은 크게 귀도구조 개량공사와 모르터 충진공사로 구분할 수 있다. 제2차 국가철도망 구축계획(2011-2020)에 따라 전국 주요 거점을 1시간 30분대로 연결하는 등 철도 교통망이 고속화되고 있는 시점에서 자갈궤도의 단점을 보완하고 안정적인 궤도구조로 승차감과 안전성을 향상시킨 신기술이 주목을 받고 있는 것이다.
 
강재 브래킷 및 후설치 앵커로 급속경화 가능

신기술은 열차 차단시간 동안 빠르게 시공이 가능하도록 철도 교량상 자갈궤도를 초속경 시멘트 모르터로 충진·경화하여 콘크리트궤도로 갱환하는 급속경화궤도 기술이다. △세그먼트로 구성되는 콘크리트궤도, △세그먼트 중앙부 양측면에 횡방향 전단연결재와 시공되는 강재 브래킷, △강재 브래킷을 통과해 수직방향으로 교량 바닥판에 설치되는 후설치 앵커로 구성된다.

기존기술에서는 콘크리트궤도 슬래브가 횡방향 및 종방향으로 고정되도록 하기 위하여 내부에 캠플레이트가 설치된다. 그러나 캠플레이트를 설치하게 되면 캠플레이트의 시공에 많은 시간이 소요되어 급속경화 기술을 적용할 수 없다. 이에 따라 한국철도기술연구원과 ㈜천경기업은 볼트형 후설치 앵커를 통해 교량 바닥판과 급속경화된 콘크리트궤도를 연결하여 종방향 하중에 대응하도록 적용했다.

또한 급속경화궤도는 철근이 매립되지 않은 구조이기 때문에 철근에 의한 인장강화 효과나 철근에 의한 구속 효과가 발생하지 않는다. 이에 따라 구속을 최소화하기 위하여 교량상 급속경화궤도는 교축방향으로 약 5m 정도의 길이를 갖는 세그먼트로 시공됐다. 각 세그먼트는 분리되는 성질을 가진다.

세그먼트를 교량과 종방향 및 횡방향으로 고정하기 위한 앵커는 세그먼트의 중앙부에 시공된다. 이는 세그먼트가 온도에 의해 구속되는 것을 최소화하기 위함이다. 중앙부에 앵커를 설치하면 온도변화에 따른 세그먼트의 팽창과 수축이 구속되지 않아 온도변화에 따른 균열이 발생하지 않으며 콘크리트의 자기수축 및 건조수축에 따른 균열도 발생하지 않는다.
 
 
 
열차 차단시간에 빠르게 20m 시공 가능

쉽게 설명하면 기존 도상자갈을 세척자갈로 교체한 후, 침목 아래에 부직포로 감싼 소정의 자갈도상을 시멘트 모르터로 충전·경화하여 콘크리트궤도로 갱환하고, 자체 개발된 강재 브래킷과 후설치 앵커를 통하여 교량 바닥판과 일체화시키는 기술이다.

고속선 교량상에 적용되며 종방향 신축과 휨변위를 방지하기 위한 볼트형 후설치 앵커가 기존 캠플레이트의 역할을 대신하게 되어 교량 바닥판과 급속경화된 콘크리트궤도를 연결하게 된다. 이를 통하여 승차감 및 주행안전성을 향상시키고 유비보수를 현저히 줄일 수 있다.

시공절차를 살펴보면 기준점 측량, 도상자갈 철거, 궤광 조립, 교량용 후설치 앵커 설치, 세척자갈 포설, 도상다짐 및 선형정정, 모르터 주입으로 시공된다.

표준단면을 바탕으로 1일 차단시간 동안 20m 이상의 주입작업이 가능하며 고속화 정밀시공이 가능하다.
 
세그먼트 구조로 균열폭 최소화

세그먼트 구조는 교량 신축에 따른 교량 궤도 상호작용을 통해 최대 균열폭이 0.3㎜ 이하가 되도록 세그먼트 길이가 적용된다. 세그먼트 중앙 단일앵커 구조는 열차 하중을 지지하고 교량으로 하중을 전달하는 역할을 한다. 또한 궤도틀림을 억제하며 교량 처짐에 의해 발생하는 균열폭을 최소화하는 역할을 한다.

기존기술에서 교량상 급속경화궤도는 접속부 강성차이로 인한 불균등 침하가 발생할 수 있고 이에 따른 충격하중 효과로 인하여 진입구간인 토공부분에 상대적인 과대 침하가 발생할 수 있다. 이는 차륜에 상하 진동을 유발하여 차체요동을 발생시키며, 레일의 부상현상을 유발할 수 있다. 반면 신기술은 급속경화궤도 접속부를 보강하여 구조적 안정성을 향상시켰다.
 
건식세척장비 개발, 녹색기술인증

이러한 교량상 급속경화궤도 시공기술은 국내는 물론 해외에서도 시도된 적이 없는 신기술이다. 생산장비의 국산화를 통하여 수입대체 효과를 기대할 수 있으며 기존기술에 비해 유지관리비를 최소화 할 수 있다. 이러한 유지관리 개선은 운행선 보수로 인한 교통통제 등으로 발생하는 이용승객의 불편 등 사회적 비용 최소화로 이어진다.

한국철도기술연구원은 2013년 6월부터 기술개발 연구를 진행하였으며 교량상 급속경화궤도 시스템 설계, 개발, 성능검증을 진행했다. 또한 기존 노상의 자갈을 회수하고 회수된 자갈을 세척처리를 통해 재사용할 수 있는 건식자갈세척장비를 개발했다.
 
이 장비는 전처리 모듈과 세척 모듈로 구성된다. 자갈세척시 고압공기와 투사재를 이용한 블라스팅 표면처리 방법을 적용하여 세척을 위한 물이나 별도의 유체가 필요치 않아 환경오염을 최소화할 수 있다. 이러한 특징을 바탕으로 저탄소녹색성장기본법 및 녹색인증제 운영요령에 의거하여 녹색기술인증을 획득했다.
 
 
 
교량 구간에서도 적용 가능한 세계 최초 기술

시공성을 살펴보면 기존기술과 비교하여 앵커블록 및 후설치 앵커 설치 공정이 추가되기 때문에 공사기간은 다소 증가한다. 궤도갱환시 1일 20m, 모르터 충전작업시 시간당 10m 작업이 가능하다.

한국철도기술연구원 관계자는 “공정을 표준으로 할 경우 1㎞ 시공시 약 125일 정도 소요되나 시공인원 및 주입장비의 투입대수에 따라 공사기간은 단축할 수 있다. 특히 기존기술에서 활용되는 가받침, 잭키 등을 필요로 하지 않기 때문에 공사기간을 단축할 수 있다”고 밝혔다.

신기술은 교량 구간에서도 적용이 가능하다. 기존기술은 콘크리트의 수축변형 및 횡방향 변위로 인하여 교량 구간에 적용이 불가능하였으나 강재 브래킷과 후설치 앵커를 통하여 교량구간에 급속경화 콘크리트궤도 공법을 적용할 수 있게 된 것이다.

또한 기존기술은 토공 및 터널구간에서만 적용이 가능하였으나 신기술은 교량구간 뿐만 아니라 300㎞/h 이상의 고속 운행선에서도 교통지연없이 자갈궤도를 개량할 수 있다.

급속궤도경화 방식의 궤도구조를 개발한 것은 한국와 일본이 유일하다. 신기술은 교통지연을 최소화하면서 자갈궤도를 효과적으로 보강할 수 있는 기술로 유럽과 동남아시아 등 세계 각국의 철도 및 지하철 개량시 설계, 시공, 유지관리 전 분야에서 활용될 수 있다. 한국철도기술연구원과 ㈜천경기업이 개발한 측면부 후설치 앵커를 적용한 교량상 급속경화 콘크리트궤도 구조 및 시공기술은 이러한 기술력을 바탕으로 국내외 철도공사 현장에서 활발히 활용될 것으로 기대된다.
 
글 · 김정현 기자(jhkim@ltm.or.kr)
 
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