프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도의 영업선 시험시공 및 성능평가
Trial Installation and Performance Evaluation of Prefabricated Concrete Slab Track on Revenue Line
장승엽*1) 강윤석** 이후삼*** 김유봉*** 이종수***
Jang, Seung Yup Kang, Yun Suk Lee, Hu Sam Kim, Yu Bong Lee, Jong Soo
--- ABSTRACT
To develop our original technology of concrete slab track, being widely accepted for new track, prefabricated concrete slab track, or precast concrete slab track has been developed. They have two different types according to slab shape and its dimensions, connection of slabs and connecting structure onto substructure. After the system design and successful performance evaluation in the laboratory, the trial installation on revenue line has been carried out. This paper is presenting the result of the trial installation and the performance tests in field. The performance tests have been performed as visual inspection for cracks and damages, measurement of track alignment and elastic behavior of track under passing trains. The performance test results during last 2 years have shown that no remarkable damages and settlements were found, and track alignment and elastic track behavior both exhibits good status.
---
1. 서 론
기존 자갈궤도의 경우 승차감과 주행안전의 확보를 위해 지속적인 유지보수를 필요로 하는 구조로 안 정성, 내구성의 향상 및 유지보수비 절감을 위하여 대안으로 슬래브궤도(slab track)가 개발되었다. 콘크
리트 슬래브궤도는 기존 자갈궤도에 비해 구조적으로 더 안정적이며 유지보수를 혁신적으로 절감함으로 써 궤도구조의 총 생애주기비용(life cycle cost)의 측면에서도 충분한 경쟁력을 가지고 있는 것으로 평가 되고 있다. 그러나, 이러한 장점에도 불구하고 현장타설 콘크리트 슬래브궤도는 선형조정과 동시에 콘크 리트 타설을 진행해야 하기 때문에 콘크리트 품질저하, 콘크리트 양생기간에 따른 시공속도의 지연 등 의 문제가 발생할 수 있고, 또한 지하구간이나 장대터널 등에서는 콘크리트 타설을 위한 레미콘 등 장 비에서 발생하는 매연이 작업환경을 매우 열악하게 하는 것이 문제점으로 제기되어 왔다. 이를 극복하
기 위한 방안의 하나가 공장제작/현장조립식 슬래브궤도(prefabricated slab track), 즉, 프리캐스트 콘크리
트 슬래브궤도(precast concrete slab track)이다. 이것은 프리캐스트 콘크리트 슬래브를 공장에서 사전제작 한 다음 현장으로 운반하여 조립, 시공하는 공법이다. 일본에서는 이와 같은 프리캐스트 콘크리트 슬래 브궤도가 표준으로 채택되어 이미 약 30년간의 운영경험을 가지고 있으며[1], 독일에서도 최근 고속철도 에서 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도가 채택되기도 했다[2]. 도시철도에서도 홍콩, 스페인 등 몇몇 지역 에서 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도가 적용되고 있다[3]. 그러나 국내의 경우에는 아직 프리캐스트 콘 크리트 슬래브궤도의 개발 시도가 없었고 관련 구성요소에 대한 연구도 거의 이루어지지 않았다.
* 한국철도기술연구원, 궤도토목연구본부, 정회원 E-mail : syjang@krri.re.kr
Tel : (031)460-5302, Fax : (031)460-5814 ** 한국철도기술연구원
*** 삼표이앤씨(주)
이에 저자는 국내 독자 기술의 확보를 위해 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도를 개발한 바 있다[4]. 개
발된 프리캐스트 슬래브 궤도는 프레임의 형태 및 제원, 슬래브의 연속화와 하부 기층과의 연결구조 등 에서 두 가지 다른 형태의 시스템으로 제시되었으며, 시스템 설계와 성공적인 실내 성능시험을 거쳐 실 제 운영 시 성능평가를 위해 영업선에 시험시공을 실시했다[5]. 본 논문에서는 지난 2006년 수행된 프리
캐스트 콘크리트 슬래브궤도 개발형의 영업선 시험시공과 이후 수행된 성능평가의 결과를 제시하고자 한다.
2. 시스템 및 구성요소의 설계 및 주요 특징
프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도는 현장타설 콘크리트 슬래브궤도와 기본적으로 동일한 구조로 노반 과 콘크리트 기층 위에 슬래브를 올려놓고, 슬래브 하부에 충전재를 주입하여 고정시켜 지지구조를 형 성한다(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 폭 은 대략 3.2m 내외, 두께는 30cm, 콘크리트 강도는 15MPa 내외이다. 기층 위에 놓이는 프리캐스트 콘크 리트 슬래브는 목표 선로등급(열차속도 및 축중)에 따라 아래와 같이 두 가지 형태로 구분하여 개발을 추진하였다.
프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도
HSB Precast Concrete Slab (RC/PSC) Grout
FSS
현장타설 콘크리트 슬래브궤도
HSB In-situ Concrete Slab
(C.R.C) Sleeper
FSS
Subgrade
프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도
HSB Precast Concrete Slab (RC/PSC) Grout
FSS HSB Precast Concrete Slab (RC/PSC) Grout
FSS
현장타설 콘크리트 슬래브궤도
HSB In-situ Concrete Slab
(C.R.C) Sleeper
FSS
현장타설 콘크리트 슬래브궤도
HSB In-situ Concrete Slab
(C.R.C) Sleeper
FSS
Subgrade
그림 1 슬래브궤도의 구조(토공구간 기준)
2.1 A형 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도
A형 슬래브궤도는 주로 고속철도와 축중이 큰 일반철도 구간을 목표로 설계되었다. 축중은 250kN으
로 UIC LM71 (HS-25) 표준하중을 적용하였다. 프리캐스트 콘크리트 슬래브는 선로방향으로는 프리텐션
프리스트레스트 콘크리트(PSC)로 설계되었고, 선로 직각방향으로는 프리스트레싱 없이 철근만으로 보강 되는 것으로 설계되었다. 슬래브의 크기는 6.45m(L)×2.4m(W)×0.2m(H)이고, 콘크리트 설계강도는 40MPa
로 일반 현장타설 콘크리트 슬래브궤도와 비교할 때 더 고강도의 콘크리트를 적용하고 있다.
A형 슬래브궤도의 주요 특징 중의 하나는 슬래브 패널을 서로 연결하여 슬래브층을 연속화하는 것이
다 (그림 2). 이 개념은 독일의 고속철도에서도 이미 승인되어 적용되고 있는 공법으로 선로방향으로 조 인트가 없이 연속된 지지구조를 확보함으로써 조인트에서 발생할 수 있는 문제점을 최소화하고, 연속보
강 콘크리트와 동일한 구조를 구성할 수 있다. 토공-터널구간의 단면을 표준으로 제시하였으며, 교량 상
에서는 교량의 변형과 궤도-교량 상호작용을 고려하여 설계상 다소 변경이 필요하다.
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 4). 충전재는 강도 15MPa 이상이고 소요
의 자기충전성(self-compaction)을 확보하도록 하였으며 내구성과 내마모성 등 중요한 목표성능규격을 설 정하여 성능검증을 추진하였다.
레일체결장치는 22.5kN/mm 내외의 고성능 방진 레일체결장치를 적용한다. 슬래브에서 레일 위치의 형 상 변경을 통해 여러 가지 다양한 체결장치의 적용이 가능하지만 우선 독일 고속철도 구간에서 기술이 검증된 Vossloh system 300을 기본으로 채용하였다.
그림 2 A형 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도 시스템 개념도
그림 3. B형 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도 시스템 개념도
그림 4. 시멘트-아스팔트 혼합 모르터 충전재 그림 5. 레일체결장치
2.2 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 기
층 위에 올려놓는 구조를 가지지만, 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 대신 철근 콘크리트(RC) 슬래브를
적용하고, 슬래브를 서로 연결하는 대신에 기층에 설치된 앵커와 슬래브에 있는 전단포켓을 통해 수평 방향으로 지지구조를 형성하여 하부 기층과 일체화하는 구조로 이루어진다는 점이 다르다(그림 3). 이러
한 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 도시 철도 구간의 특성을 고려하여 구간에 따라 길이를 조절 가능하도록 하였고, 콘크리트 설계강도는 45MPa
이다. 슬래브 패널 하부에 주입하는 충전재는 일반 무수축 시멘트 모르터를 적용하였고, 모르터의 강도
는 슬래브 패널과 유사한 강성을 갖도록 45MPa 내외로 설정하였다. 토공구간에서 노반과 기층의 구성은
A형 슬래브궤도와 동일하다.
B형 슬래브궤도는 레일체결장치도 A형 슬래브궤도와 마찬가지로 고성능의 방진 체결장치를 적용하였
다. 이 체결장치는 철도연에서 개발한 체결클립과 쇼율더 형식을 적용하여 프리캐스트 콘크리트 슬래브 궤도에 맞게 변경한 것으로, 지지강성은 20kN/mm 내외, 선형조정은 고저방향으로 +26mm, -4mm, 좌우방
향으로 ±13mm까지 가능하도록 설계되었다(그림 5).
3. 운영선 시험시공과 성능시험
제시된 설계안에 따라 슬래브, 레일체결장치, 충전재 등 각 구성요소와 시스템에 대한 성능시험을 수 행하였다. 시험결과, 모든 구성요소가 요구조건을 만족하고 시스템 성능시험에서도 충분한 안전성이 입
증되었다[4]. 또한 시공성의 검증을 위해 실시된 야드시험시공을 통해 콘크리트 기층 시공, 슬래브 패널
의 설치 및 위치 조정, 충전재 주입 등에서 발견된 몇 가지 문제점에 대한 개선방안을 도출하여 최종적
으로 궤도 시공절차와 상세 시공방법을 제시하였다[4].
이상의 과정을 거친 후 개발 시스템의 현장에서의 실제 성능과 내구성 등을 확인하기 위해 운영선에 서의 시험시공을 추진하였다. 시공위치는 전라선 복선전철화 구간 중 서도-산성 71k 980 부근으로 정하
고 2006년 5월 8일 착공, 약 4개월간의 시공기간을 거쳐 A형 123m, B형 슬래브궤도 117m, 자갈궤도와
의 접속부 및 A-B형 접속부 약 43m 총 283m의 시험궤도를 시공하였다(2006년 9월 28일 준공)(그림 6
참조). 해당 구간의 열차 최고속도는 150km/h, 최대 축중은 220kN이다. 그림 7은 A형과 B형 슬래브궤도
각각의 시공순서와 해당 사진을 보여주고 있다.
우선 기존 노반을 파내고 콘크리트 기층을 설치하였다. 그러나 그림 6에서 알 수 있듯이 시험부설구 간의 바로 옆 선로는 열차가 운행 중이었기 때문에 그림 8과 같이 흙막이벽을 설치하고 굴착을 실시하 고, 배수를 위해 별도의 배수관을 선로 양쪽에 매설하였다(그림 8). 그리고, 기존 노반은 자갈궤도의 요 구조건에 따라 조성된 노반이기 때문에 실제 슬래브궤도를 부설하기에는 지지력이 부족한 것으로 나타 났기 때문에 지반조건을 개선하기 위해 지오그리드를 이용한 지반보강을 실시했다(그림 9). 그림 10은
완공 후 시험궤도의 전경을 보여주고 있다.
시험시공을 통해 개발된 시스템의 시공성이 매우 우수한 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, 충전
재 주입 등의 공법을 개선한다면 기존의 궤도부설 공법에 비해 더 우수한 시공성과 품질의 확보가 가능 할 것으로 판단된다.
A형 슬래브궤도
Start (STA. 71km697) End (STA. 71km980)
L=123.525m
서도(전주) 산성(남원)
접속부
L=5.9m
B형슬래브궤도 L=1169m
LVT궤도
인화제2터 널 자갈궤도접속부
그림 6. 시험궤도 개념도
(a) A형 (b) B형
그림 7. 시공순서 및 사진
CL CL
HSB층
보강FSS층 FSS층
토노반 CL
2.050 2.500
0.900 0.850 0.500
배수로 전 주 (0.5x0.5)
0.772 4.100 2.050 4.750
0.680 0.350 3%
0.300
종단배수로 (산성→서도, 9‰)
3.411
횡단배수로 3.300 0.600
동상방지층(FPL) 안정화기층(HSB) 슬래브(TCL)
상부노반 상면 동상방지층 상면 Geogrid
상부노반 동상방지층(FPL) 안정화기층(HSB) 슬래브(TCL)
상부노반 상면 동상방지층 상면 Geogrid
상부노반
그림 8. 흙막이벽 및 배수관 설치 그림 9. 지오그리드 보강 개념도
그림 10. 완공 후 시험궤도 전경
(a) 충전상태 양호구간
(b) 충전부족구간
그림 11. 연속 impact-echo 시험에 의한 충전상태 검사결과 예
또 몇몇 구간에서 충전재의 충전이 부족한 구간이 impact-echo를 이용한 비파괴 검사를 통해 발견되었 다. 이것은 아마도 여름철에 시공을 했기 때문에 시멘트 아스팔트 혼합 모르터의 컨시스턴시(유동성)의
변동이 발생했기 때문으로 추정된다. 실제 아스팔트 유제는 온도에 따라 점성과 응결속도가 크게 영향 을 받기 때문이다. 따라서 현장의 온도조건을 고려하여 아스팔트의 민감도를 줄일 수 있는 배합의 개발 과 효율적인 주입장비의 개발이 필요한 것으로 나타났다. 한편 impact-echo를 이용한 비파괴 검사는 실제 육안조사와 매우 유사한 결과를 나타내어(그림 11) 향후 슬래브궤도의 충전상태 검사를 위해 효과적인 방법으로 판단된다.
시험시공 구간은 앞으로 2009년까지 지속적인 모니터링을 거쳐 개발 시스템의 신뢰성을 검증하고 모 니터링에서 나타난 문제점을 분석, 보완해 나갈 계획이다.
-10 -5 0 5 10
0 100 200 Distance (from Inhwa 2 tunnel) (m)300 400 500 600 700
Vertic al ali gnme nt de viatio n
(10m chord )(mm)
2006-11-17 2007-02-14 2007-04-17
2007-08-01 2007-08-17(after tamping)
prefab slab track transition ballasted track
-10 -5 0 5 10
0 100 200 300 400 500 600 700
Distance (from Inhwa 2 tunnel) (m) Horiz
ontal aign ment devia tion
(10m chord )(mm)
2006-11-17 2007-02-14 2007-04-17
2007-08-01 2007-08-17(after tamping)
prefab slab track transition ballasted track
그림 12. 궤도 검측 결과
-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0
201 2 3 4 Time (sec) 5 6 7 8
Ver tical whe el lo ad (k N)
point 1 point 2
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5
11 2 3 4Time (sec)5 6 7 8
Vertic al rai l defl ectio n (mm )
point 1 point 2
그림 13. 열차 주행시 계측된 윤중과 궤도 변위 데이터 예 4. 결론
이상 본 연구에서는 공장제작/현장조립식 슬래브궤도의 영업선 시험시공과 모니터링 결과를 분석하였 다. 개발된 시스템은 수행된 실내성능시험, 시험시공 및 현장성능시험을 통해 시공성과 품질 등에서 충 분한 성능검증이 이루어졌으며 향후 시험궤도에서의 장기적인 신뢰성 검증과 이에 따른 재료 및 시공법 등에 대한 세부적인 기술보완이 이루어진다면 국내외 현장적용을 통해 실용화가 가능할 것으로 기대된 다.
참고문헌
1. Ando, K., Miura, S., Watanabe, K., "Twenty Years' Experience on Slab Track", QR of RTRI, Vol. 35, No.
1, Feb. 1994.
2. Max-Bögl, "Slab Track System", in CD-ROM Title produced by Max-Bögl, 2002.
3. Crockett A. and Carlisle J., West rail sets new standards in LINESIDE noise control, Railway Gazette International, Sep. 2003.
4. 도시철도 표준화 연구개발사업 (분야명 : 도시철도 선로시스템 표준화) 최종연구보고서, 2007. 2.
5. 이후삼 외, 콘크리트 슬래브궤도 및 궤도 개발품의 시험시공, 한국철도기술, 2007. 06.
