프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도의 개발과 성능시험
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1. 개요
기존 자갈궤도의 경우 승차감과 주행안전의 확보를 위해 지속적인 유지보수를 필요로 하는 구조로 안정성, 내구성의 향상 및 유지보수비 절감을 위하여 궤도구조의 혁신이 요구되어 왔다. 이러한 대안이 바로 슬래브궤도(slab track)이다. 콘크리트 슬래브궤도는 기존 자갈궤도에 비해 구조적으로 더 안정적이며 유지보수를 혁신적으로 절감함으로써 궤도구조의 총 생애주기비용(life cycle cost)의 측면에서도 충분한 경쟁력을 가지고 있는 것으로 평가되고 있으며, 도시철도에서도 대부분 콘크리트 슬래브궤도를 적용하고 있다.
그러나, 이러한 장점에도 불구하고 현장타설 콘크리트 슬래브궤도는 선형조정과 동시에 콘크리트 타설을 진행해야 하기 때문에 콘크리트 품질저하, 콘크리트 양생기간에 따른 시공속도의 지연 등의 문제가 발생할 수 있고, 또한 지하구간이나 장대터널 등에서는 콘크리트 타설을 위한 레미콘 등 장비에서 발생하는 매연이 작업환경을 매우 열악하게 하는 것이 문제점으로 제기되어 왔다. 이를 극복하기 위한 방안의 하나가 공장제작/현장조립식 슬래브궤도(prefabricated slab track), 즉, 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도(precast concrete slab track)이다. 이것은 궤도 슬래브를 프리캐스트 부재로 하여 공장에서 사전제작한 다음 현장으로 운반하여 조립, 시공하는 공법이다. 현재 일본에서는 이와 같은 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도가 표준으로 채택되어 이미 약 30년간의 운영경험을 가지고 있으며[6], 독일에서도 최근 고속철도에서 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도가 채택되기도 했다[7]. 도시철도에서도 홍콩, 스페인 등 몇몇 지역에서 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도가 적용되고 있다[5,8]. 국내의 경우에는 아직 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도의 개발 시도가 없었고 관련 구성요소에 대한 연구도 거의 이루어지지 않았다. 국내에서도 궤도기술의 발전을 통해 외국과의 기술격차를 줄이고 슬래브궤도의 장점을 극대화하여 가장 안정적이고 효율적인 선로시스템의 확립을 위하여 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도 개발 필요성이 대두되고 있다.
이에 본 연구에서는 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도의 개발을 목표로 기존 슬래브궤도의 문제점 분석을 통해 기본 설계요건과 시스템 및 구성요소 기본사양을 결정하고, 이에 따라 시스템과 각 구성요소의 상세설계를 제시하였으며, 프리캐스트 콘크리트 슬래브와 체결장치 등 주요 구성요소의 제작설비를 구축하였다. 또한 각 구성요소와 시스템에 대한 성능시험을 통해 문제점을 분석, 보완하였으며, 시스템의 시공절차를 정립하고 그에 따른 시공성 검증을 위해 Yard Test를 실시하였다. 이를 바탕으로 영업선 시험시공을 완료하여 현장에서의 장기 성능검증을 추진 중에 있다.
본 소고에서는 주로 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도와 그 구성요소의 설계와 성능시험에 관하여 주요 내용을 소개하고자 한다.
2. 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도 시스템 및 구성요소 설계
1) 요구조건 분석
프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도의 개발을 위해 먼저 국외 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도에 관한 자료조사를 바탕으로 슬래브궤도의 요구조건을 분석하였다. RAMS 측면에서 보면 궤도시스템에서 가장 중요한 요구조건은 가용성(Availability)과 안전성(Safety), 유지보수성(Maintainability)으로 집약될 수 있다. 궤도시스템은 주어진 RAMS 요구수준을 만족할 수 있도록 설계되어야 하고 이에 따라 구조적 안전, 승차감 및 주행안전의 목표수준이 결정된다. 또한 이와 함께 시공성과 경제성, 그리고 소음/진동 등이 또한 시스템의 설계에서 중요한 고려요소가 되어야 한다.
2) 시스템 및 구성요소의 설계 및 주요 특징
프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도는 현장타설 콘크리트 슬래브궤도와 기본적으로 동일한 구조로 노반과 콘크리트 기층 위에 슬래브를 올려놓고, 슬래브 하부에 충전재를 주입하여 고정시켜 지지구조를 형성한다(토공구간 기준, <그림 1> 참조). 원지반 위에 입도조정쇄석으로 이루어지는 일정 두께의 동결방지층(강화노반)을 설치하여 노반을 형성하고, 그 위에 콘크리트 기층을 설치하는데, 이 기층은 도로 포장에서 사용하는 빈배합 콘크리트 기층(Hydraulically stabilized basecourse, HSB)를 적용한다. 콘크리트 기층의 폭은 대략 3.2m 내외, 두께는 30cm, 콘크리트 강도는 15MPa 내외이다. 기층 위에 놓이는 프리캐스트 콘크리트 슬래브는 목표 선로등급(열차속도 및 축중)에 따라 아래와 같이 두 가지 형태로 구분하여 개발을 추진하였다.
<그림 1> 슬래브궤도의 구조(토공구간 기준)
가. A형 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도
A형 슬래브궤도는 주로 고속철도와 축중이 큰 일반철도 구간을 목표로 설계되었다. 축중은 250kN으로 UIC LM71 (HS-25) 표준하중을 적용하였다. 프리캐스트 콘크리트 슬래브는 선로방향으로는 프리텐션 프리스트레스트 콘크리트(PSC)로 설계되었고, 선로 직각방향으로는 프리스트레싱 없이 철근만으로 보강되는 것으로 설계되었다. 슬래브의 크기는 6.45m(L)×2.4m(W)×0.2m(H)이고, 콘크리트 설계강도는 40MPa로 일반 현장타설 콘크리트 슬래브궤도와 비교할 때 더 고강도의 콘크리트를 적용하고 있다.
A형 슬래브궤도의 주요 특징 중의 하나는 슬래브 패널을 서로 연결하여 슬래브층을 연속화하는 것이다<그림 2>. 이런 개념은 독일의 고속철도에서도 이미 승인되어 적용되고 있는 공법으로 이렇게 하면 선로방향으로 조인트가 없이 연속된 지지구조를 확보함으로써 조인트에서 발생할 수 있는 문제점을 최소화하고, 연속보강 콘크리트와 동일한 구조를 구성할 수 있다.
프리캐스트 콘크리트 슬래브 하부와 콘크리트 기층 사이에는 슬래브의 높이조정과 위치고정을 위해 충전재를 주입해야 하는데, A형 슬래브궤도의 경우 시멘트와 아스팔트 유제를 혼합한 시멘트-아스팔트 혼합 모르터를 국내에서는 처음으로 개발하여 적용하였다<그림 3>. 충전재는 강도 15MPa 이상이고 소요의 자기충전성(self- compaction)을 확보하도록 하였으며 내구성과 내마모성 등 중요한 목표성능규격을 설정하여 성능검증을 추진하였다.
레일체결장치는 22.5kN/mm 내외의 고성능 방진 레일체결장치를 적용한다. 슬래브에서 레일 위치의 형상 변경을 통해 여러 가지 다양한 체결장치의 적용이 가능하지만 우선 독일 고속철도 구간에서 기술이 검증된 Vossloh system 300을 기본으로 채용하였다.
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<그림 2> A형 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도 시스템 개념도
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<그림 3> 시멘트-아스팔트 혼합 모르터 충전재
토공-터널구간의 단면을 표준으로 제시하였으며, 교량 상에서는 교량의 변형과 궤도-교량 상호작용을 고려하여 설계상 다소 변경이 필요하다.
나. B형 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도
B형 슬래브궤도는 주로 도시철도 구간과 도시 외곽선의 여객전용 선로를 목표로 설계되어 축중은 180~220kN까지 적용이 가능하다. A형과 마찬가지로 프리캐스트 콘크리트 슬래브를 노반과 콘크리트 기층 위에 올려놓는 구조를 가지지만, 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 대신 철근 콘크리트(RC) 슬래브를 적용하고, 슬래브를 서로 연결하는 대신에 기층에 설치된 앵커와 슬래브에 있는 전단포켓을 통해 수평방향으로 지지구조를 형성하여 하부 기층과 일체화하는 구조로 이루어진다는 점이 다르다<그림 4>. 이러한 구조는 교량 상에서도 유사한 구조로 적용될 수 있다.
프리캐스트 콘크리트 슬래브 하나의 크기는 1.65~3.8m(L)×2.3m(W)×0.165m(H)로 선로반경이 작은 도시철도 구간의 특성을 고려하여 구간에 따라 길이를 조절 가능하도록 하였고, 콘크리트 설계강도는 45MPa이다. 슬래브 패널 하부에 주입하는 충전재는 일반 무수축 시멘트 모르터를 적용하였고, 모르터의 강도는 슬래브 패널과 유사한 강성을 갖도록 45MPa 내외로 설정하였다. 토공구간에서 노반과 기층의 구성은 A형 슬래브궤도와 동일하다.
B형 슬래브궤도는 레일체결장치도 A형 슬래브궤도와 마찬가지로 고성능의 방진 체결장치를 적용하였다. 이 체결장치는 철도연에서 개발한 체결클립과 쇼율더 형식을 적용하여 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도에 맞게 변경한 것으로 (모델명 RFK -OOO), 지지강성은 20kN/mm 내외, 선형조정은 고저방향으로 +26mm, -4mm, 좌우방향으로 ±13mm까지 가능하도록 설계되었다<그림 5>.
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<그림 4> B형 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도 시스템 개념도
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<그림 5> 레일체결장치
3. 실내성능시험
제시된 설계안에 따라 각 구성요소와 시스템에 대한 성능시험을 수행하였다.
A형 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도의 경우에는 슬래브 지지구조, 프리캐스트 콘크리트 슬래브의 연결, 레일체결장치 등은 독일 고속철도에서 이미 검증된 개념을 채용하였으므로 대부분의 구성요소에 대해서는 성능시험을 생략하였고 (독일 EBA의 인증 획득), 프레임 형상의 슬래브 구조, 충전재에 대해서만 성능시험을 수행하였다. 반면 대부분의 구성요소가 새롭게 개발된 B형 슬래브궤도는 슬래브, 레일체결장치, 충전재 등 구성요소에 대한 성능시험과 함께 수평방향 지지구조에 대한 전단시험, 시스템 피로시험 등을 통해 성능검증을 실시하였다.
1) A형 슬래브궤도
가. 슬래브 휨시험
프레임형 슬래브의 단부에 대한 정적하중시험을 수행하였다. 시험결과 KS에서 규정하고 있는 하중조건을 초과하는 하중에서도 균열이 발생하지 않아 기준치를 만족하는 것으로 나타났다.
나. 충전재 성능시험
개발된 시멘트-아스팔트 유제 혼합 모르터 충전재에 대한 성능시험결과, 시멘트 아스팔트 유제 혼합 모르터는 팽창율이 충전재의 요구성능에 보다 잘 부합되고 강도가 낮으면서도 인성이 좋다는 장점을 가지는 것으로 나타났다<그림6>. 개발된 충전재에 대하여 성능시험을 수행한 결과 목표한 성능을 모두 만족하는 것으로 나타났다(연구결과보고서 참조[3]).
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<그림 10> 슬래브궤도 경사피로시험 결과[3]
4. 현장시험시공 및 성능시험
실제 프리캐스트 슬래브 궤도의 시공 시 발생할 수 있는 문제점들을 충분히 고려하여 프리캐스트 슬래브궤도의 시공절차 및 시공장비 등을 개발하기 위하여 야적장 내에서 궤도시험부설을 실시하였다. 야드시험시공 결과, 콘크리트 기층 시공, 슬래브 패널의 설치 및 위치 조정, 충전재 주입 등에서 몇 가지 문제점이 지적되었으며 이에 대한 개선방안을 도출하여 최종적으로 궤도 시공절차와 상세 시공방법을 제시하였다.
앞서 설명한 바와 같이 궤도 시스템의 설계, 성능시험, 시공법 검증 등을 거쳐 현장에서의 실제적인 성능검증을 위해 운영선에서의 시험시공을 추진하였다. 여러 차례 현장답사와 관계기관 협의를 거쳐 전라선 복선전철화 건설구간 중 서도-산성 71k 980 부근을 시공구간으로 결정하고 2006년 5월 8일 착공, 약 4개월간의 시공기간을 거쳐 A형과 B형 슬래브궤도 각 120m, 기타 자갈궤도 및 접속부 420m 총 640m의 시험궤도를 시공하였다(2006년 9월 28일 준공, 그림 11 참조). 실제 열차가 운행하는 토공구간의 선로에 슬래브궤도가 부설된 것은 국내 최초의 시도였다. 상세한 사항은 참고자료(이후삼 외, 2007[4])의 내용을 참고하도록 한다.
※ 주: 개발 시스템 = A/B형 슬래브궤도 (각 120m) |
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<그림 11> 영업선 시험시공 (전라선)
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<그림 12> 시험시공구간 궤도선형 검측결과 |
| ![](file:///D:/jjung/jjung/웹진/new_m65/UNI2340.gif) <그림 13> 시험시공구간 열차 주행 시 궤도 탄성응답(레일변위)
시험시공 결과에 따르면 개발 시스템은 시공성이 매우 우수하였고, 궤도 선형 검측결과, 요구 정밀도를 만족하는 것으로 나타났다. 하지만 소규모 공사였기 때문에 프리캐스트 슬래브궤도의 장점으로 부각되는 기계화 시공이 어려워 인력공사의 비중이 높았고, 패널 정정, 측면막기 등 일부 공정에서 과도한 인력과 시간이 소모되는 등의 문제점이 지적되었다. 향후 실제 궤도부설 공사에 적용하는 경우에는 슬립폼페이버(slipform paver), 충전재 주입장비, 리프팅 유닛 등 슬래브 부설장비 등 전문시공 장비에 의한 기계화 시공의 비중을 높이고 패널 정정, 측면막기, 충전재 주입 등의 공법을 개선한다면 기존의 궤도부설 공법에 비해 더 우수한 시공성과 품질의 확보가 가능할 것으로 판단된다.
시험시공 구간은 앞으로 2009년까지 3년간 장기 모니터링을 거쳐 모니터링 결과분석과 문제점 보완을 통해 개발 시스템의 신뢰성을 검증할 계획이다.
5. 결론
이상 본 연구에서는 시공성 향상 및 고품질 시공을 위한 공장제작/현장조립식 슬래브궤도의 개발을 목표로 시스템의 설계, 구성요소 및 시스템 실내성능시험, 슬래브 제작설비 구축, 현장시험시공 및 성능검증을 완료하였다.
개발된 시스템은 수행된 실내성능시험, 시험시공 및 현장성능시험을 통해 시공성과 품질 등에서 충분한 성능검증이 이루어졌으며 향후 시험궤도에서의 장기적인 신뢰성 검증과 이에 따른 재료 및 시공법 등에 대한 세부적인 기술보완이 이루어진다면 국내외 현장적용을 통해 실용화가 가능할 것으로 기대된다.
참고문헌
[1] 김은 외, 레일체결장치 개발, 한국철도기술, 2007. 06. [2] 도시철도 선로시스템 구성품 품질인증기준(안), 2006. [3] 도시철도 표준화 연구개발사업 (분야명 : 도시철도 선로시스템 표준화) 최종연구보고서, 2007. 2.
[4] 이후삼 외, 콘크리트 슬래브궤도 및 궤도 개발품의 시험시공, 한국철도기술, 2007. 06.
[5] 장승엽, 김태욱, 출장보고서, 도시철도 선로시스템 표준화, 2003.
[6] Ando, K., Miura, S., Watanabe, K., "Twenty Years' Experience on Slab Track", QR of RTRI, Vol. 35, No. 1, Feb. 1994. [7] Max-Bogl, "Slab Track System", in CD-ROM Title produced by Max-Bogl, 2002. [8] Crockett A. and Carlisle J., West rail sets new standards in LINESIDE noise control, Railway Gazette International, Sep. 2003. [9] EN 13146 Railway applications-Track-Test methods for fastening systems. [10] EN 13481 Railway applications-Track-Performance requirements for fastening systems. [11] EN 13230 Railway applications-Track-Sleepers and Bearers.
(a) 재령에 따른 강도발현율(압축강도 및 휨강도)
(b) 아스팔트 유제 혼합량에 따른 강도발현율
<그림 6> 시멘트-아스팔트 유제 혼합 모르터의 물성
2) B형 슬래브궤도
가. 레일체결장치 성능시험
B형 슬래브궤도에 적용된 레일체결장치(RFK-OOO)에 대해 국제규격(CEN, EN 13146[8]/13481[9])에 부합하는 품질인증기준(안)에 따라 성능시험을 수행하였다. 레일체결장치 성능시험에 관한 상세한 사항은 참고자료(김은 외, 2007[1])의 내용을 참조하도록 한다.
나. 슬래브 패널 성능시험
슬래브의 경우도 국제규격(CEN, EN 13230[11])에 준하는 품질인증기준(안)[2]에 따라 성능시험을 수행하였으며<그림 7>, 시험결과 정적 및 동적 휨강도시험에서 모든 기준을 만족하였다.
(a) 선로방향 (b) 선로직각방향
<그림 7> 슬래브 패널 성능시험
다. 충전재 성능시험
B형 슬래브궤도에 적용된 무수축 시멘트 모르터에 대해 성능시험을 실시한 결과, 시멘트 모르터의 경우 팽창율은 시멘트-아스팔트 모르터 에 비해 다소 떨어지지만 품질관리가 상대적으로 용이하고 강도가 우수하며 슬래브 패널과 강성이 유사하다는 장점이 있으며, 소요의 요구조건을 만족하는 것으로 나타났다.
라. 시스템 성능시험
각 구성요소에 대한 성능시험을 완료하고 시스템 전체에 대한 성능시험으로 수평전단시험과 경사피로시험을 수행하였다.
수평전단시험에서는 개발 시스템의 수평방향 지지구조를 모사하도록 모형시험부재를 제작하여 시험을 수행하였다<그림 8>. 시험결과 시스템 요구사항에 규정된 수평방향 저항력을 충분히 확보하고 있음을 확인하였다[3].
경사피로시험에서는 실모형의 궤도 시스템을 실험실 내에 부설하여 300백만회 이상의 사용하중을 반복재하 하면서 궤도 시스템 각 부의 변위, 응력 등의 진행상태와 손상여부 등을 관찰하였다<그림 10>.
실험결과 300백만회 하중 재하 시까지 레일, 레일체결장치. 콘크리트 슬래브, 충전층, 기층, 하부 노반 등 모든 각 부에서의 변위와 응력은 급격한 증가를 나타내지 않았으며 모두 기준치 이내의 값을 나타내어 시스템의 안정성이 입증되었다<그림 10>[3].
![](https://img1.daumcdn.net/relay/cafe/original/?fname=http%3A%2F%2Fweb.krri.re.kr%2Fwebzine%2Fy2007%2F5_6%2Fthemeplan%2F20070806%2F14969_in_PIC48.gif)
<그림 8> 수평전단시험 |