1. 서 론

국내에서는 아직 아스팔트 노반 및 궤도에 대한 연구가 전무하지만 독일에서는 아스팔트 궤도인 GETRAC 시스템과 ATD 시스템을 개발하여 고속선에 사용하고 있을 뿐만 아니라 GETRAC보다 성능이 더 우수한 아스팔트 콘크리트 궤도를 현재 연구 중에 있다. 오스트리아에서도 다년간의 연구를 통하여 아스팔트 침목 직결궤도인 IVES를 자체 개발하여 최근 실현장에 부설하여 영업선 운행을 시작 하였고 프랑스, 이탈리아 등 철도 선진국에서는 유도상 아스팔트 노반 궤도를 고속선에서 사용 중에 있다(Na, 2019).

도로의 경우 통행하는 차량에 의한 아스팔트 면에 발생되는 윤하중 응력과 철도에 작용하는 축중에 의한 침목 하면의 응력을 비교하면 도로의 아스팔트에 작용하는 응력이 철도의 침목 하면에 작용하는 응력에 비해 10~15배 크기 때문에(Katsutoshi, 1997) 안정적인 하중지지가 가능하다.

또한, 아스팔트콘크리트 도상 기술은 단편적으로 기존 궤도 기술인 ‘자갈 도상’, ‘콘크리트 도상’ 궤도기술과 달리 시공효율과 경제성이 뛰어나고 승차감의 향상 및 유지보수가 용이한 장점이 있다. 자갈 도상과 콘크리트 도상의 건설 시 골재 채움 공정, 콘크리트 철근 배열 및 거푸집 설치 공정 등 전문 인력 투입이 많이 필요하다. 하지만, 아스팔트콘크리트 도상은 중장비 위주의 공정으로 장래 초고령사회로 기술인력 수급의 어려움을 해소 가능하며. 철근, 거푸집, 그리고 결속선 등 부자재가 공정상 생략되어 재료 및 공법의 단순화가 이뤄지며 원가관리가 쉬워진다.

아스팔트 콘크리트 궤도의 경우 강화 노반부터 레일설치까지 Bottom-up 방식으로 시공되기 때문에 레일부와 가까울수록 높은 시공정밀도가 요구된다. 아스팔트 혼합물의 롤러다짐 시공은 ± 2 mm 평탄성 오차를 만족해야 하고(Development of Railway Asphalt Subgrade and Track Structure in Response to High Speed, 2014) 이는 궤도 도상면의 평탄한 정도가 열차 주행 안전성과 승차감에 영향을 줌으로 정밀한 측량 및 아스팔트 포설, 궤광설치 기술이 요구된다.

또한, 현장 정밀 시공에 기반한 아스팔트 콘크리트 궤도의 열차 주행 안전 확보를 위해 이론적 해석 및 시험을 통한 주행 안정성 평가는 필수적 과정이다.

철도차량의 주행안정성을 평가하는 항목 중 하나는 탈선계수이며, 철도차량의 탈선계수는 선로의 형상에 따라 변화한다. 탈선 또는 주행 안전도를 평가하는 대표적인 기준은 탈선계수로서 이를 정확히 측정하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 국내에서 사용하고 있는 가장 보편적인 방법은 스트레인 게이지를 차륜에 부착하여 수직방향 하중과 수평방향 하중을 측정하여 계산된다(Ham et al., 2010). 세계 각국들이 모두 실차 주행시험으로 탈선계수를 만들어 평가하고 있으며, 국내의 가장 보편적인 방법은 탈선계수 측정용 윤축을 만들어 실차 주행시험으로 평가하는 방법이다. 탈선계수가 커지면 탈선하기 시작하지만 실제 탈선 사례에서는 횡압이 클때보다 윤중 감소가 클 때 탈선된 경우가 많다(Development of Railway Asphalt Subgrade and Track Structure in Response to High Speed, 2016). 그래서 윤중의 감소 정도를 나타내는 지표로서 윤중 감소율을 0.13이하로 정하고, 이것을 안전율 평가 기준으로 도시철도법(도시철도시설 성능시험기준)에 채택하고 있다. 따라서 본 연구는 정밀시공을 통해 궤도틀림, 레일 마모, 뜬 침목 등의 문제 발생 가능성을 줄이고, 아스팔트 콘크리트 궤도 시공 시 발생할 수 있는 시공오차 요인들을 파악하여 현장 적용 개선 및 주행 안정성을 평가하는 것이다.

2. 현장설치

2.1 강화노반

아스팔트 콘크리트 궤도는 강화 노반, 아스팔트 콘크리트 도상, 침목, 레일체결장치, 장대레일, 수평변위저항장치로 구성되어 있으며, 도로와 마찬가지로 Bottom-up 방식으로 시공되므로 강화 노반과 도상 시공이 열차 주행의 안전성에 영향을 미친다. Bottom-up 방식의 단점은 각 단계 별로 오차가 누적되는 점인데, 측량 작업시 기계 설치 횟수를 반복할수록 생기는 기계적 오차, 측량 인원에 의해 생기는 개인적 오차 외에 자연적 오차가 발생한다. 오차 누적으로 인하여 장대레일 체결 이후 최종 구조물의 설계 계획고에 미치는 영향을 줄이기 위해서는 각 단계별로 허용되는 시공 오차를 엄격하게 관리해야 한다. 또한, 콘크리트 양생 제품인 침목에서도 ± 2 mm 수준의 제작 공차가 발생하므로, 엄격한 품질 관리가 요구된다.

이천~충주 궤도공사 구간의 정밀 시공을 위해 아스팔트 피니셔장비를 활용하여 골재를 균등하게 포설한 뒤, 타이어 로울러 및 10 TON 규격의 진동 롤러 장비로 Fig. 1과 같이 다짐 작업을 반복하여 강화 노반의 지지력을 향상시켰고, 측정을 위한 토압계를 매립하였다.

Fig. 1.

Reinforced roadbed installation

2.2 아스팔트 콘크리트 도상

미국 아스팔트 협회(Asphalt Institute, AI)에서는 1960년대 초반부터 궤도 지지층으로서 가열아스팔트(Hot Mix Asphalt; HMA)를 활용하기 위한 노력의 일환으로 HMA를 활용한 Overlayment 및 Underlayment 궤도시스템을 제안하였다. 또한, 미국켄터키 대학(University of Kentucky)에서는 아스팔트콘크리트 궤도의 HMA 두께 설계 프로그램인 KENTRACK을 개발하여 열차 하중과 노상의 지지 조건에 따라 HMA의 두께를 결정하는 데 사용하였다. Overlayment 궤도의 경우 HMA의 최대두께를 18 inch(약 46 cm)로 제한하고 있으며, 궤도의 설계수명은 30년으로 추천하고 있다(Huang et al., 1987; Rose and Lees, 2008; Lee et al., 2016).

아스팔트콘크리트 도상은 공사시방서에 따라 ACT13WC, ACT20MC, ACT25BB로 분류되고, 철도 전용 아스팔트 PG64-22, PG76-22 등을 사용하여 KS의 시험 방법에 따라 현장 시방기준에 부합하는 철도용 아스팔트 혼합물을 적용하였다. 아스팔트콘크리트 도상은 동하중을 적용한 실대형 실험 및 구조해석등을 통해 아스팔트 콘크리트의 최적두께를 300 mm로 설정하였다(Lee et al., 2017). 이중 ACT25BB은 150 mm, ACT20MC은 100 mm, ACT13WC은 5 mm로 구성된다.

중부내륙선에 일부 적용한 시험부설 시공으로는 확인 측량을 통한 강화 노반 인수인계, 가이드 와이어 설치 및 계획고 측량, 아스팔트 혼합물 포설 및 다짐 작업 순으로 이루어지며(Fig. 2) 부설 총연장은 251.3 M에 불과하나, 실제 작업속도는 400 m/일의 수준으로 시공이 가능하여 자갈 궤도, 콘크리트 궤도 대비 상대적으로 시공성이 뛰어나다.

Fig. 2.

Asphalt concrete roadbed installation

아스팔트 포장층을 3층(ACT13WC, ACT20MC, ACT25BB)으로 구분하여 포설하고 허용 시공 오차는 ± 10 mm, ± 6 mm, ± 2 mm로 정밀 시공이 요구된다. 정밀도 준수를 위해 측량작업은 층별로 확인과 검토를 위해 반복적으로 시행하고, 아스팔트콘크리트 도상의 굴곡 및 끊김을 방지하기 위해 아스팔트 피니셔 장비의 작업이 끊이지 않도록 생산공장으로부터 혼합물 재료의 현장 이송을 철저히 관리하였다. 또한, 도상에서의 압력변화 및 변형, 온도측정을 위한 계측센서(토압계, 변형율계, 온도계 등)가 매립되었다.

2.3 궤광 조립

아스팔트 콘크리트 궤도 전용 광폭 침목과 패널은 열차 하중에 의한 응력을 최소화하여(KRL-2012 표준열차하중) 아스팔트 콘크리트 도상의 두께를 최적화할 수 있고, 소성변형을 저감할 수 있는 장점이 있다. 아스팔트 콘크리트 궤도는 광폭침목 및 패널의 중심부에서 650 mm 간격으로 설치되며, 수준측량 및 선형 측량이 선행된다. 그 이후 아스팔트 콘크리트 도상 궤도의 양 끝단의 접속부와 연결되는 다른 궤도 시스템의 선형을 고려하여 조정작업 후 장대레일을 설치하고 레일체결장치를 체결한다(Figs. 3~4). 패널은 중심위치로부터 충주역 방향으로 80.65 m, 광폭 침목은 중심위치로부터 이천 방향으로 80.65 m를 설치했다.

Fig. 3.

Panel installation

Fig. 4.

Wide sleepers installation

2.4 수평변위저항장치

아스팔트콘크리트 도상 궤도는 종･횡 변위로부터 저항성능 확보를 위해 수평변위저항장치를 개발하게 되었는데, 광폭 침목 5정당 3개 이상의 수평변위저항장치가 필요하고, 패널의 경우 3정당 3개 이상의 수평변위저항장치를 필요로 하여(Table 1) 현장에는 좌우 측면으로 광폭 침목 3정당 1개소, 패널 2정당 1개소를 설치하였다(Fig. 5).

수평변위저항장치의 설치에는 전용 코어 장비를 사용하여 아스팔트콘크리트 도상에 삽입될 강관 규격만큼 천공하고 철도용 레일본드를 주입한 후 수평변위저항장치를 설치한다. 도상에 삽입되어 지지하는 앵커 강관 외에 L형 구조의 강판은 광폭 침목 혹은 패널을 직접 지지하는데, 이 앵커 강관과 L형 강판을 전용 풀림방지 너트로 고정하여 일체화시킨다.

Table 1.

Overview of vertical and horizontal resistance devices Installation (Development of Railway Asphalt Subgrade and Track Structure in Response to High Speed, 2015)

Contents	Installation overview
Wide sleepers	- Spacing of sleepers : 650 mm - Considering the safety factor, 1 pair per 3 sleepers (2 on the side) is installed - 5 wide sleepers, 4 horizontal resistance devices standard (AKFF-2002 design standard) 1) Vertical direction: Experimental minimum resistance + resistance device (121.16 kN) > Specification (45.5 kN) 2) Horizontal direction: Experimental minimum resistance + resistance device (127.29 kN) > Specification (81.2 kN)
Panel	- Spacing of panels : 1,250 mm - Considering the safety factor, 1 pair per 2 panels (2 on the side) is installed - 3 panels, 4 horizontal resistance devices standard (AKFF-2002 design standard) 1) Vertical direction: Experimental minimum resistance + resistance device (127.48 kN) > Specification (53.2 kN) 2) Horizontal direction: Experimental minimum resistance + resistance device (132.01 kN) > Specification (95.0 kN)

Fig. 5.

Vertical and horizontal resistance devices Installation

2.5 열차주행 조건

아스팔트 콘크리트 궤도의 궤도구조물의 성능시험은 철도차량기술기준에 의거하여 주행 안정성 확인을 위해 중부내륙선 이천~충주 철도건설 구간 운행 열차(EMU-260)은 6량 1편성으로 운영되고 있는 구간에 설치하였고, 아래의 Table 2와 같이 현장설치 시험구간에 운행되는 차량의 축당 중량은 150 kN이다.

Table 2.

Train running conditions

Contents	EMU-260	Train driving view
Weight per axle (kN)	150
Fixed wheelbase (mm)	2,600
Distance between train cars (mm)	17,000~17,300
Max. speed (km/h)	260

3. 현장설치 결과

3.1 시공평탄성

일반적으로 아스팔트 콘크리트 포장의 품질을 평가할 때, 제일 먼저 판단하는 것은 포장이 평탄하고 균일한지에 대한 부분이다. 이를 위해 시공 장비가 일정하고 꾸준한 포장작업을 할 수 있도록 기준을 제시해주어야 한다. 도로의 경우 도로 양옆의 빗물이 배수되는 빗물받이 및 L형 측구의 높이에 맞추어 아스팔트 콘크리트를 시공하거나, 철 구조물에 팽팽한 선으로 수평 높이를 확인할 수 있는 ‘가이드 와이어’를 통해 시공 높이를 표시하여 시공한다.

충주~이천 철도건설 구간 내 설치된 아스팔트 콘크리트 도상의 경우 상부, 하부로 나누어 2줄의 가이드 와이어를 설치하여 시공하였다. 그 이유는 아스팔트 피니셔 장비의 센서 위치와 실제 아스팔트 혼합물이 포설되는 위치에는 높이 차가 존재하는데, 이 과정에서 발생하는 오차를 최소화하여 시공하고자 함이었다.

아스팔트 콘크리트 혼합물의 경우 포설되는 온도차에 의한 품질도 좌우되므로 재료의 온도관리가 중요하다. 따라서, 아스팔트 혼합물의 적정온도를 유지하기 위해 운반가능 한 거리의 생산공장을 선정하여 현장까지 이송하는데 걸리는 시간을 최소화하여 Table 3과 같은 품질의 아스팔트 혼합물을 사용하였다.

아스팔트 콘크리트 궤도는 Bottom-up 방식으로 시공되기 때문에 도상 최상단의 시공정밀도 ± 2 mm를 확보하기 위해서는 아스팔트 콘크리트 도상의 각 층별 시공정밀도를 관리 및 확보해야만 한다. 이천~충주 철도건설 구간 내 시험 설치된 아스팔트 콘크리트 도상의 각 층별 시공정밀도는 Fig. 6과 같으며, 허용오차 범위 내의 결과를 얻었다.

Fig. 6.

Measurement result of each layer precision of asphalt concrete roadbed

3.2 주행안정성 분석 성능시험 결과

궤도구조성능을 확인하기 위한 선로주행 안정성은 윤중 및 횡압을 Figs. 7, 8과 같은 측정결과로부터 탈선계수 및 윤중 감소율을 분석하였다. 또한, 열차 주행시험 기준은 대부분이 최대 응답특성을 이용함으로 항목별 최대값을 정리하여 나타내었고 측정항목 모두 궤도구조성능 및 선로 주행 안정성 기준을 Table 4와 같이 만족하였다.

Fig. 7.

Analysis result of driving safety (Wide sleeper)

Fig. 8.

Analysis result of driving safety (Panel)

4. 결 론

본 연구는 아스팔트 콘크리트가 적용된 궤도구조 시스템을 중부내륙선(이천~충주 구간 일부)에 현장시험 시공을 실시하여 철도의 공정별 시공 정밀도 및 주행 안정성을 확보하기 위한 실용화 연구를 진행하였다.

고속열차에 적용되고 있는 기존의 콘크리트 궤도 시스템은 Top-down 방식으로 레일 상단부터 측량을 통해 ± 2 mm의 기준을 맞춘 후 콘크리트를 채워 시공 정밀도를 맞춘다. 하지만 아스팔트 콘크리트 궤도는 Bottom-up 방식을 채택해야 함으로 현장시험설치를 통해 레일 상단 정밀도 ± 2 mm 기준(고속열차)에 부합하기 위해 각 공정별 평탄성의 오차를 줄여야만 한다. 특히 침목과 직접적으로 접하는 아스팔트 콘크리트 도상은 각 층별마다 기준에 부합하도록 계획고 관리용 가이드와이어의 적용 및 시공의 정밀도 확인 측량을 체계적으로 수행할 필요가 있다. 따라서 측량의 오차를 줄이기 위한 「측량, 수로 조사 및 지적에 관한 법률 시행규칙」 제102조에 따라 1급 이상 성능을 가진 GNSS 수신기, Total Station, 레벨 및 이에 상응한 측량 장비의 사용, 측정자의 숙련도 등이 고려된다면 충분한 시공정밀도 확보가 가능할 것으로 사료된다.

또한, 실제 고속열차의 주행을 통한 열차주행 안정성이 기준치를 모두 만족함에 따라 200 km/h 이상의 고속열차 주행이 가능할 것으로 판단된다. 하지만 이는 측량에 기반한 현장설치 시공정밀도를 중심으로 분석한 것이므로 현장 시공정밀도와 주행 안정성과의 관계는 추가적인 연구를 통해 증명할 필요가 있다. 더불어, 향후 본 연구가 아스팔트 콘크리트 궤도의 시공정밀도를 높이고 열차 주행 안정성을 향상시키기 위한 현장관리 요소들을 파악하는 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.