1. 서 론
2. BRT 계획을 위한 다레살람 도심지 포장설계 문제점
3. 포장 형식 결정
3.1 BRT 차로의 포장 형식 결정
3.2 Mixed Traffic 차로 포장 형식 결정
3.3 기존 포장부의 포장 개선
4. 포장설계
4.1 BRT 차로의 포장설계
4.2 Mixed Traffic 차로의 신규 포장두께 결정
4.3 기존 포장부 Overlay 두께 산정
4.4 노반 또는 지반의 (Subgrade) 개량
5. 결 론
1. 서 론
탄자니아의 행정수도는 도도마로 1973년 전통적인 수도인 다레살람에서 이전되었으나 각종 사회기반시설, 대통령궁 및 각국의 외교사무소, 상업시설 등 정치, 경제 인프라가 다레살람시에 있어 실질적인 수도 역할을 하고 있다. 다레살림시는 기반시설 및 상업시설의 집중으로 인하여 교통량이 증가하여 극심한 교통체증, 교통사고, 통행시간 증가등이 사회적으로 문제화 되어 이를 해결하는 방안으로 대중교통시스템의 개선을 계획하고 있다. 신규도로 개설의 경우 도시 집중화에 따른 보상비 및 이주대책 수립 등 공사 외에 부가적인 비용을 요구하기에 재정적으로 자립도가 부족한 탄자니아 정부에서 수행이 어려운 실정이다. 더욱이, 다레살람 버스시스템은 개인 사업자에 의해 중고 승합차를 수입하여 버스로 운영 중이었으며, 무더운 기후 특성에도 에어컨 등이 작동되지 않았고 버스 내에서 각종 범죄행위(소매치기, 폭력) 등의 발생으로 대중교통에 대한 신뢰도는 매우 미약한 실정이다. 정부의 재정 부족에 따른 신규도로 개설 어려움 및 대중교통의 신뢰도 향상을 위해, 기존 도심지 도로에 BRT(Bus Rapid Transit System) 시스템을 도입하여 이동시간을 단축할 뿐 아니라, 안전하고 선진화된 공공교통 서비스를 제공하고자 BRT는 계획되었다. 궁극적으로는 대중교통의 서비스 질을 향상하고 및 통행시간을 획기적으로 단축시켜 개인 교통을 대중교통으로 전환해 제한된 인프라를 효율적으로 운영하기 위해 BRT 시스템을 도입하고 이를 위한 BRT도로의 포장두께를 산정하는 것이 이 사례연구의 주요 목적이다.
2. BRT 계획을 위한 다레살람 도심지 포장설계 문제점
탄자니아 정부예산의 많은 부분을 외부에서 지원받고 있은 실정이며 단독재정을 통한 사업추진이 불가능하여 BRT 시스템의 건설 비용은 아프리카 개발은행(AfDB, Africa Development Bank)의 차관으로 계획되었다. 기존 도로에 BRT 중앙차로(양방향2차로) 설치를 위해서는 기존 도로의 확장이 불가피하였으며, 재정 지출을 최소화하기 위해 기존 포장(아스팔트)을 최대한 이용하여 경제적인 시공이 가능토록 계획하는 것이 사업의 추진 가능 조건이다. 기존 포장의 이용을 위해서는 기존 설계자료 및 시공자료가 필요하나 이에 대한 자료는 거의 존재하지 않았으며, 일부 수집된 자료도 현재와 괴리가 심해 사용이 불가능하였다. 또한 탄자니아의 포장 설계법은 영국 Category 방식을 채용하고 있어 AASHTO의 설계법과 차이가 발생한다. Category 포장 설계법은 교통량 산정 후 등가단축하중(W8.2)만을 고려하여 포장두께를 손쉽게 결정할 수 있는 장점이 있으며 국내는 1960년대 초반 국토 교통부에서 국토설계에 사용된 기록이 있다. 현재 사용되고 있는 한국형포장설계법은 국내실정에 맞게 개발된 포장 설계법으로 도로포장 구조 설계 요령(Structural design method for road pavement, 2015)에 설계 방법을 규정하고 있다. 포장 설계등급 1,2등급은 국내 개발된 포장설계 프로그램인 KPRP(Korea Pavement Research Program)을 이용하여 포장설계를 시행하고, 포장설계 3등급(7,000대/일 이하) 도로에 대해 등가단축하중(W8.2) 산정 없이 차량 대수 및 하부 재료조건(CBR)을 고려한 Category table 따르고 있어 W8.2를 산정하는 영국식과는 방법이 상이하다. 다음 Fig. 1은 영국식 포장설계를 따르는 탄자니아 PMDM에서 제시하고 있는 포장설계 category table의 예시이다.
또한 BRT 전용차로는 일반차로와 경계석을 두어 일반차량의 BRT 차로의 유입을 원천적으로 봉쇄하는 전용차로제 운영을 결정하였으며, 일반 버스보다 규모가 거대한 굴절버스 운행을 결정하였다. 포장 형식에 있어 BRT 전용차로는 전용버스(일반버스 및 굴절버스)인 중차량의 이동을 고려해야 했으며, 승용차 및 트럭 등 기타 차량이 운행되는 Mixed Traffic 차로는 도심지의 소음저감, 지하 매설물의 유지관리 등을 고려가 필요하였다. 따라서 포장설계에 있어 BRT 전용 버스 제원(Fig. 2) 및 다음과 같은 사항이 고려되어야 한다.
- BRT 전용 버스 교통량을 고려한 BRT 차로의 포장설계
- 일반 승용차, 화물차 등이 혼재된 Mixed Traffic 차로의 포장설계
- 기존 포장층 활용(개선)한 포장설계
- 연약지반 개량방안
상기와 같은 방안은 국내 설계에서도 동일하게 고려되어야 하는 점에서는 반론의 여지가 없으나, 일반적인 국내 설계기준은 당시(2013년) AASHTO 설계법(현재 2022년은 한국형 포장설계 법 및 전용 프로그램 이용)을 적용한 방법이며, 본 사업은 영국식 방법인 Catecory법을 채용한 탄자니아의 포장설계 기준인 PMDM(Pavement and Materials Design Manual, 1999)을 적용하였다.
3. 포장 형식 결정
3.1 BRT 차로의 포장 형식 결정
BRT 차로는 BRT 버스만 통행 되는 차로로 장래 대중교통 수요분석에 따라 장래 교통량을 예측(Traffic Demand Forecasting) 하였으며 이를 토대로 교통량을 결정하였다. BRT 1단계(이전 과업)에서 포장 형식 결정에 있어 가장 중요하게 고려된 것은 중차량의 운행 및 승하차를 위한 정류소의 정차 시 윤활유 등의 누수 등에 따른 영향이었으며 이를 고려하여 콘크리트 포장 형식으로 결정하였다. 반면 본 사업인 2, 3단계에서는 탄자니아에서 콘크리트포장 경험이 전무하고, 유지관리 경험이 없는 점, 타 국가에서 콘크리트 포장 품질확보 불가능 시 유지보수 비용의 증가사례 등을 수집하여 아스팔트 포장을 적용하는 것으로 결정되었다. 다만 승하차를 위한 대기 공간인 버스 정류소의 경우 1단계와 동일하게 콘크리트 포장을 적용하는 것으로 계획하였다. 이는 현지 상황(대부분 대형공사 중국 시공사 독점)을 고려하여 1단계 BRT 도로 시공 및 운영 이후 콘크리트 포장의 품질확보 및 유지관리에 문제가 없는 것으로 판단 되면 4, 5단계에서 다시 콘크리트 포장 적용을 고려하는 것으로 잠정적으로 결정하였다.
3.2 Mixed Traffic 차로 포장 형식 결정
Mixed Traffic 차로는 BRT 버스를 제외한 승용차, 화물차, 이륜차 등의 교통이 혼재된 구간으로 중앙의 버스전용차로(BRT 차로) 바깥쪽에 위치한다. 이 구간은 일반차량뿐 아니라 보행자 통행을 위한 보도, 배수 시설물, 상수도 시설물, 전기 통신선로 등이 위치한 지상 및 지하 공간으로 이러한 기반 시설물의 잦은 개보수를 고려하여 연성 포장(Flexible Pavement, 아스팔트 포장) 형식으로 결정하였다. 또한 도심지는 주변에 상업시설뿐 아니라, 주거시설 및 정온 시설이 분포하고 있어 콘크리트 포장 대비 소음저감 효과 등도 아스팔트 포장 결정의 고려 요소였다.
3.3 기존 포장부의 포장 개선
기존 도로의 포장은 아스팔트 포장으로 운영 중이며, 명확한 포장설계에 대한 자료취득이 불가능하였다. 기존 포장 개선 부는 Mixed Traffic 차로의 일부로 포장 형식은 Mixed Traffic 차로와 동일한 아스팔트 포장 형식으로 결정하였다. 다만 정부 재정이 열약한 상황에서 기존 포장을 제거하고 신규 포설을 시행하는 것은 현실상 불가능하였으며 이에 따라 지반조사 수행 시 일부 기존 포장부의 시료를 채취하여 두께 및 포장재료를 확인 후 이를 교통량과 대비하여 Overlay 두께를 산정하는 것으로 결정하였다.
4. 포장설계
일반적으로 포장설계를 위해서는 목표연도의 장래 교통량을 선정해야 한다. 장래 교통량의 선정은 현재의 교통량, 인구증가량, 주변 개발 등이 종합적으로 고려되어 예측되며 본 사업의 경우 도심지의 특성(주변 개발, 인구변화 급속)을 고려하여 최초 15년으로 결정하였으나, 향후 투자자(AFDB, Africa Development Bank)의 의견을 수용하여 20년으로 계획하였다.
4.1 BRT 차로의 포장설계
BRT 버스의 등가단축하중은(ESAL, Equivalent Single Axle Loading) 8.2 ton 표준 축하중으로 하여 이에 대한 비교 값으로 결정되며 이를 등가단축하중계수(ESALF, Equivalent Single Axle Loading Factor)로 표기한다. 국내는 각 차량 하중에 따른 기준 된 ESALF를 제공하고 있으나, 탄자니아의 경우 Axle load survey를 통해 ESALF를 측정하고 있으며 이에 따라 굴절버스의 ESALF는 2.24로 결정되었다.
설계교통하중(DTL, Design Traffic Loading)의 결정은 누적등가단축하중(W8.2)에 방향분배계수(Rd) 및 차로분배계수(RL)을 고려하여 산정하였다. 일반적으로 교통량은 일평균 교통량을 이용 포장설계를 수행하며, 일평균 교통량은 양방향 전체 교통을 의미한다. 일반도로 양방향 2차로 도로는 반대 차로를 이용하여 추월하는 경우를 고려하여 방향분배 계수를 0.9를 적용하나 BRT 차로는 반대차로의 추월을 허용하지 않고 일반차량의 이용을 원천적으로 통제하고 있으므로 방향분배계수(Rd)는 0.5(양방향)를 적용하였으며, 차로분배계수(RL)는 1.0(1방향1차로)을 적용하였다. 설계교통 하중은 DTL(Design Traffic Loading)은 다음의 식으로 표현될 수 있다.
Equation [1]
Equation [2]
상기 식을 이용하여 다레살람시의 Kilwa road BRT차로의 DTL산정결과는 아래 Table 1과 같다.
Table 1.
Results of DTL calculation on the BRT lanes in Kilwa Road
상기의 DTL은 목표연도의 E80을 의미하며, 이값의 범위를 이용하여 TLC(Traffic Load Classes)를 아래의 Table 2와 같이 제시하였다. 목표연도 20년의 E80 million은 11.2로 TLC 20에 해당한다.
Table 2.
TLC Classification on the PMDM in Tanzania
CBR조건은 15% 이상, 기층 형식은 BRT버스의 중차량 교통을 고려하여 시멘트처리 기층으로 결정하였으며 이에 따라 선정된 Category는 아래의 Fig. 3과 같다.
Kilwa Road 외에 총 6개 노선에 대한 동일한 작업을 수행하였으며, 산정된 DTL로 결정된 TLC는 Table 3과 같으며, 상기의 Category를 이용하여 결정된 BRT 차로의 포장두께는 Table 4에 표기되어 있다.
Table 3.
Reaults of TLC calculation for whole project route
Table 4.
Determination of pavement layer thicknesses of BRT lanes for whole project route
| TLC | Pavement Thickness (mm) | |||
| Surfacing | Base Course | Subbase | Total | |
| TLC 10 | 50 | 150 | 250 | 450 |
| TLC 20 | 50 | 150 | 300 | 500 |
4.2 Mixed Traffic 차로의 신규 포장두께 결정
Mixed Traffic 차로의 TLC를 구하는 방식은 BRT차로 포장두께 결정방법과 동일하다. 다만 Mixed Traffic 차로는 양방향 4차로로 계획되었으며, 승용차, 버스, 트럭 등의 혼재된 교통 특성을 가지고 있다. 따라서 차량별 등가단축하중계수(ESALF)는 AASHTO 및 현지 타 사업 자료를 참조하여 아래 Table 5와 같이 적용하였다.
Table 5.
ESALF (equivalent single axle loading factor) for mixed traffic lane
| 승용차 | 버스 | 트럭 | 특수 | |||
| 소형 | 보통 | 소형 | 보통 | 대형 | ||
| 0.002 | 0.001 | 0.762 | 0.001 | 1.85 | 2.98 | 4.84 |
또한 방향분배계수(Rd)의 경우 도심지로 양방향 교통량이 거의 동일하다는 특성, BRT 중앙차로에 의해 반대 차로로의 주행이 원칙적으로 불가능하다는 점을 고려하여 BRT 차로와 동일하게 0.5를 적용하였으며, 차로 분배계수는 2차로인 점을 고려하여 0.8을 적용하였다.
아래는 설계교통 하중에 적용되는 방향 및 차로 분배계수를 보여주고 있다.
Equation [3]
BRT차로와 동일한 방법으로 Kilwa road의 Mixed Traffic 차로에 대한 설계교통 하중을 산정하였다. Kilwa 구간의 교통 특성상 시점~Feeder Station, Feeder Station 2개 구간으로 산정하였으며 각 구간의 DTL은 각각 36.5 × 106 및 52.9 × 106으로 아래의 Table 6 및 Table 7 같이 계산되었다.
Table 6.
Results of DTL calculation of the mixed traffic lanes of Kilwa Road (section–1)
Table 7.
Results of DTL calculation of the mixed traffic lanes of Kilwa Road (section–2)
동일 방법으로 6개 도로(10개 구간)에 대해 DLT 및 이에 따른 TLC를 산정한 결과 TLC 10/20/50의 범위를 보여주고 있으며, 산정된 값은 아래 Table 8과 같다.
Table 8.
Results of DTL & TLC for whole project route
일반구간은 여러 종류의 차량이 혼재된 구간으로, CBR15% 및 아스팔트기층 사용을 결정하였으며 포장두께 결정을 위한 Category를 아래 Fig. 4를 이용하였다.
상기 Category이용 포장두께 결정에 있어 Gerezani/Sokoine도로는 TLC10이며, Uhuru 및 Maktaba/Azikiwe는 TLC 20으로 서로 다른 포장두께를 적용해야 하나, 포장두께의 통일성을 위하여 TLC 10 및 20의 경우 동일 포장두께 50+150+250을 적용하였다. 6개 노선 전 구간에 적용된 포장두께는 아래 Table 9와 같다.
Table 9.
Determination of pavement layer thicknesses of mixed traffic lanes for whole project route
4.3 기존 포장부 Overlay 두께 산정
경제적인 포장설계를 위해서는 운행 중인 기존 포장을 활용하여 이를 개선하는 것이 필수이다. 교통량의 급격한 증가 및 파손이 심한 경우 기존 포장층 전체를 제거하고 재포장하는 것이 현실적인 대안이 될 수도 있지만, 탄자니아와 같이 재정이 풍부하지 않은 국가일수록 신규 인프라 설치를 위한 비용이 제한적일 수밖에 없다. 특히 본 사업과 같이 보상비를 제외한 설계, 공사, 감리비용 전액을 해외 차관 및 원조로 수행하는 과업의 경우 포장비용 증가에 따른 사업추진 실패는 치명적이다. 국내는 도로의 고급화에 따라 도심지의 입체교차(고가, 지하차도) 및 지방의 터널 공사가 일반적이며 포장이 차지하는 비중이 10% 내외인 경우가 대부분이나 저개발 국가의 도로 사업의 경우 포장비용이 50% 이상을 차지하므로 포장비용 절감은 사업추진의 핵심 요소이다. 본 사업의 경우도 사업추진을 위해 기존 포장을 최대한 활용하는 것으로 계획되었으며, 탄자니아의 포장설계 기준인 PMDM은 이러한 고려를 위해 노상의 CBR 및 TLC에 따른 Required Structural Number(SN required, 포장설계 두께지수) 및 재료 특성에 따른 상대강도계수(ai, Material Coefficient)를 아래 Table 10 및 Table 11과 같이 제시하고 있다.
Table 10.
Required SN (structural number) by TLC value
Table 11.
Material coefficient based on the pavement layer’s type
상기의 조건을 이용하는 경우, 현재 운영 중인 도로의 포장두께를 알 수 있다면 기존 포장재의 SN(SN existing)을 산정할 수 있으며, 요구되는 SN(SN Required)의 미달분에 대해서는 Overlay를 통한 보강을 시행할 수 있다. 따라서 기존 포장체에 대한 두께 조사를 시행하였으며 조사 결과 Kilwa road는 70 mm AC Surfacing, 200 mm Granular base course, 260 mm cemented subbase로 구성, Nyerere road는 50 mm AC Surfacing, 200 mm DBM base course, 300 mm cemented subbase로 구성, 그외 도로는 50 mm AC Surfacing, 150 mm Granular base course, 200 mm cemented subbase로 구성된 것이 확인되었다. 현재 포장두께 및 아래의 식을 이용하여 SN existing을 산정하였으며 결과는 아래 Table 12와 같다.
Equation [4]
Table 12.
SN calculation results of existing pavement
| Section Name | SN Existing |
| Kilwa section | 3.157 |
| Nyerere section | 3.110 |
| Others | 2.362 |
탄자니아의 포장설계 기준인 PMDM을 이용하여 요구되는 소요 SN(SN required), 현재 포장의 SN(SN existing), 두 값의 차(SN required - SN existing)를 SN diff로 표기하였으며 그 값은 아래의 Table 13과 같다.
Table 13.
Calcuation of SN different between the existing pavement and the required SN
PMDM에서는 SN diff를 선정한 후, 이를 이용하여 기존 포장에 대한 Overlay 방법 및 두께를 산정하는 Category를 아래 Fig. 5와 같이 제시하고 있다.
다음의 Table 14는 SN diff 및 관련 Category을 이용하여 결정된 기존 포장 구간의 Overlay 두께 산정 결과이다.
Table 14.
Determination of overlay thickness for existing pavement improvement
4.4 노반 또는 지반의 (Subgrade) 개량
상기의 내용은 CBR 15% 이상을 기준으로 포장두께를 결정하는 것으로 Category를 이용하였다. 일반적으로 국내의 경우 설계CBR이 10% 이하인 경우 지반개량을 통해 포장하부 지지력을 확보하는 것을 기준하고 있다. 탄자니아의 경우 CBR이 15% 이하인 경우 지반개량을 통해 이를 개선하도록 PMDM에 지시하고 있다. 따라서 포장두께 산정에 있어서는 CBR 15% 이상의 Category를 이용하였으며, 지반조사(Test Pit) 결과 CBR이 기준치 아래인 구간은 다음 Fig. 6 Category를 이용 개량방안(치환)을 제시하였다.
사업 노선 일부 구간의 경우 CBR 테스트 결과 CBR이 기준치 이하인 구간이 발생하였으며, 이 구간에 대하여 Fig. 6의 Category를 이용하여 아래 Table 15와 같이 개선방안(치환)을 제시하였다.
Table 15.
Results of soft ground improvement by replacement materials
5. 결 론
본 사례연구는 Category 포장 설계법을 적용하여 탄자니아 다레살람시 BRT 사업의 아스팔트 포장두께 산정 절차를 분석 및 검토하여 결정하는 것이다. 포장두께 산정을 위한 Category는 노상의 지지력(CBR) 및 교통 특성(중차량통행량)을 고려하여 결정하였으며, CBR 15% 이하 구간에 대해서는 치환을 통한 지반을 개량하는 것으로 제시하여 CBR 15%를 기준으로 Category를 결정하였다.
BRT 차로는 총 6개 노선에 대해 분석을 시행하였으며, 산정된 DTL로 분류된 TLC는 10~20구간에 분포되었다. BRT 전용차로는 중차량(BRT 버스) 통행을 고려하여 시멘트처리기층 Category를 선정하였으며, 총 포장두께는 450 mm(TLC10) 및 500 mm(TLC20)로 결정되었다.
일반교통이 혼재된 Mixed Traffic 차로의 DTL에 따른 TLC는 10, 20, 50으로 분포된 특징을 보여주고 있다. 이는 BRT 교통량 대비 일반차량의 교통량 큰 것을 의미하고 있다. 일반차량의 포장두께 결정을 위한 Category는 일반적인 아스팔트기층을 적용하였으며, 산정된 포장 총 두께는 450 mm(TLC10/20) 및 500 mm(TLC50)로 결정하였다.
기존도로 포장층 이용(Overlay)을 위해 TLC값에 따라 요구되는 SN required(PMDM기준), 기존도로의 SN existing(기존포장 시료 두께로 판정), 두 값의 차인 SNdiff를 산정하였으며, 산정된 SN difff를 이용 PMDM의 Category를 이용 Overlay 두께를 산정하였다. 산정된 두께는 40 mm~120 mm까지 구간별로 다양하게 분포되어 있다.
CBR 값이 15% 이하인 구간에 대해서는 Category를 이용하여 연약지반 치환 방안을 제시하였으며, 치환 깊이는 노선에 따라 125 mm~300 mm까지 분포하였다.
탄자니아의 포장 설계법인 PMDM은 영국식 방법을 채용한 것으로 누적등가단축하중(W8.2) 만으로 제시된 Category를 이용하여 포장두께 산정이 가능하다. 누적등가단축하중인 W8.2 산정방식은 AASHTO에서 제시된 방법과 동일하며, 이는 국내에서도 통용되고 있는 계산법이다. 산정된 설계교통량(DTL = W8.2)을 토대로 포장두께를 결정하는 방법에 있어 AASHTO는 Log함수를 이용하여 교통량에 따라 세밀하게 각 포장층별 두께를 결정하고 있어 최종 결정까지 설계자의 기술적 판단이 요구되고 있지만 Category법은 교통량에 따라 구간별 TLC를 제공하고 있어 포장층의 세밀한 조정은 불가능하며, TLC 범주 초반에 교통량이 위치하는[(예: TLC10의 DTL은 3~10 million인데 계산값이 3.2 million] 경우 자칫 과다 설계가 우려될 수 있다. 반면 해당 국가의 지반특성, 교통특성, 기후 특성을 반영한 검증된 지표를 제공하는 경우 설계자의 판단에 따른 오류 최소화가 가능하다는 장점도 있다. Category 설계법을 신규국가에 적용할 경우 지반특성, 교통특성, 기후 특성이 동일하다는 판단근거가 부족하고, 최종 두께 산정을 위한 계산식을 제공하지 않아 이론적 검증에 한계가 있으므로 신중한 검토 및 검증 후에 도입이 필요하다.
