한국지반공학회 (地盤 magazine)

alt

1. 서론

최근 국내 철도 신설구간은 유지관리 측면에서 유리한 콘크리트궤도가 선정되어 시공되는 추세이다. 콘크리트궤도는 주행안전 혹은 승차감 등 차량의 주행 특성, 궤도 강화 혹은 보수상의 목적 때문에 열차 하중에 의해 생기는 변위와 침하의 허용치를 엄격하게 제한하는 구조로 설계되고 있다. 콘크리트궤도에 있어 노반과 도상이 제대로 역할을 하지 못하면 열차 운행이나 진동으로 궤도틀림(고저)이 발생한다. 국내 콘크리트궤도에서는 허용 궤도틀림(고저)량을 30mm 이내로 제한하고 있고, 제한치 이내에서의 변형량은 체결구의 패드조절을 통해 선형을 복구하고, 제한치 이상의 변형량에 대해서는 궤도복원(인상)작업을 통해 선형을 복구하는 방법을 채택하고 있다.고속철도의 경우 궤도틀림(고저)이 발생하면 승차감 저하는 물론이고 열차의 탈선이나 전복사고로 이어질 가능성이 있어 신속한 보수 및 복구작업이 진행되어야 한다.본기사에서는 고속철도 대심도 터널 내 콘크리트궤도가 변형(융기)되어 열차의 주행속도를 90km/h로 서행시키고 있던 현장에서 국내 최초로 복원공사를 시행하여 궤도선형을 정정(복원)하여 열차의 주행속도를 170km/h로 상향시킨 시공사례를 소개하고자 한다.

2. 콘크리트 궤도틀림(고저)

2.1. 콘크리트궤도의 역할

우리나라의 고속철도 궤도는 콘크리트궤도와 자갈도상궤도가 있다. 콘크리트궤도는 충분한 주행안전성을 확보할 수 있고 유지관리비를 절감시킬 수 있다는 장점을 가지고 있지만 노반 또는 구조물의 침하에 취약하다. 콘크리트궤도는 도상을 콘크리트로 하여 궤도의 안전성을 유지하고 레일체결장치 또는 방진재로 궤도 탄력성을 유지하여 열차로부터 전달되는 충격 및 진동을 흡수하는 기능을 발휘하여 고속철도의 안전에 있어 중요한 역할을 차지하고 있다.

2.2. 콘크리트궤도의 손상 및 변형

콘크리트궤도의 틀림현상 중 궤도틀림이 예상되는 구간들은 주로 성토부, 터널/교량 접속부, 지하구조물 인접부, 터널 내 단층파쇄대 또는 양압 발생부 등이 있다. 이러한 콘크리트궤도의 틀림현상들이 연장이 긴 구간에서 발생될 경우 열차의 주행성에는 영향이 크게 미치지않고, 궤도손상도 덜 생기지만, 종단선형이 짧은 토공구간과 구조물 접속부에서는 열차의 승차감과 주행성에 영향을 미치고 궤도손상도 빨라질 수 있다. 따라서 이러한 구간들은 궤도손상이 발생하기 전에 선 조치를 취하는 것이 매우 중요하다. 콘크리트궤도에서 궤도틀림(고저)이 발생하면 차량의 주행안전성 및 승차감이 저하되므로 일정한 허용기준을 초과하는 경우 궤도틀림(고저)에 대한 정정작업을 수행하도록 규정하고 있다.

3. 콘크리트궤도 복원공법

3.1. PRCG 공법

PRCG(pressurized rapid-hardening cement grouting)공법은 급결성 시멘트계 그라우트재를 다점·동시·미세·반복주입하여 침하된 콘크리트궤도를 복원·인상하는 공법이다. 콘크리트궤도에서 리프팅은 궤도를 받치고 있는 하부의 노반을 급속보강하고, 침하된 콘크리트궤도를 원래의 높이로 복원하는 콘크리트궤도 유지보수 공법이다.

3.2. 시공순서 및 모식도

3.3. 공법의 주요특징

가. mm 단위 정밀복원

나. 다점/동시 주입 : 구조물 2차 불균등 응력 발생 없음

다. 장비 소형화 및 자동주입 시스템,

라. 구조체 손상 없음 : 3m 간격 18mm 소구경 천공

마. 차단시간 내(2-4시간) 작업 가능

바. 초기강도 및 주입확산면적 확대로 열차 주행안정성 확보

사. 호남고속철도, 경부고속철도, 경전선 등 콘크리트궤도 복원 실적 다수

3.4. 재료의 구성

PRCG공법에 사용되는 재료중 분말형재료는 마이크로시멘트와 초미립자 실리카, 중화재 등이 있고, 액상형재료는 주입재의 경화시간(겔타임)을 조절할 수 있는 2종류의 경화재로 구성된다. 분말형재료와 액상형재료가 배합되어 2중관으로 주입되는 방식이다.마이크로시멘트는 주입재의 부피와 강도를 확보하는데 사용되고, MS-P는 비표면적 13,000㎠/g의 초미립자 실리카계 재료로 침투성 확보 및 재료의 내구성을 높이는 용도이며, MS-A는 재료의 PH 농도를 조절하는 중화재 역할을 한다. MS-ß 등의 경화재는 재료의 겔타임을 중결(20~40초) 또는 급결(1~3초)로 조절하는 역할을 한다.

4. 콘크리트궤도 리프팅 시공사례

4.1. 현장 개요

가. 위치 : 터널(G.L-60m) 내부 콘크리트궤도

나. 콘크리트궤도 변형량 : 약 50~60mm

다. 작업구간 : 연장 80M

라. 작업시간 : 01:50 ~ 4:10 (3시간 이내)

마. 적용공법 : PRCG공법

바. 콘크리트궤도 두께 : 도상콘크리트 TCL(230mm) + 보조도상콘크리트(200mm)

사. 지반조건 : 암반 + 단층대

4.2. 공사 개요

당 현장의 콘크리트궤도 변위량은 약 60mm 내외로 국내 고속철도 허용변위량(30mm)을 초과하고 있어 열차의 주행안전성 확보를 위하여 선형보정용 리프팅공사를 시행하였다.터널내 현장특성상 차단시간 3시간 내에 주입용 재료와 장비를 터널내부의 피난용 수직갱에서 800m 이격된 리프팅 장소까지 매일 반입/반출해야하는 상황으로 이동시간 및 패드조정시간을 제외한 실제 작업시간은 1.5시간 이내로 한정되어 시공전 시험시공을 통해 1일 주입량 및 작업거리(20m)를 산정한 후 공사를 진행하였다. 짧은 차단시간(1.5시간)내 모든 작업을 끝내기 위해 신속한 작업이 요구되는 상황으로 공사 투입 전 철저한 사전계획수립이 필요하였다. 운송용 소형 트롤리를 제작하여 주입장비(펌프, 중앙제어장치, 자동개폐밸브, 주입관, 주입호스 등)와 1일 예상 주입재료를 수직갱에서 수평으로 800m 이격된 리프팅장소까지 운송하여 1일 복원작업을 완료하고, 당일 복원레벨 계측, 레일 체감작업, 전차선 조정 등 열차운행에 문제가 없는 조건을 확보하는 방식으로 공사를 진행하였다.

4.3. 시공순서

가. 사전준비 : 피난갱에서 800m 수평이격된 리프팅장소까지의 장비·자재 운송용 기구 제작

나. 커팅작업 : TCL 하부 보조도상(t=250) 콘크리트 커팅(측면 공동구 등 구조물 인상방지)

다. 천공작업 : 종단 3m 간격, 횡단 2공(T1 기준, 18mm 직경 천공)

라. 주입재 배합 및 운반 : 지상플랜트에서 주입재 배합, 주입위치까지 운송

마. 복원주입 : 중앙제어장치·다점분배기·주입관 설치 후 복원주입, 1일 20mm 내외

바. 계측관리 : 작업 전/중/후 레벨 계측

사. 체감작업 : 주입완료 후 인상인접구간 레일 체감작업

아. 열차운행 : 주입작업 완료 후 1시간 이내 열차 운행

4.4. 공사 과정

가. 현장여건상 1일 실제 복원작업 시간은 1.5시간 이내로 한정되어 일일 주입량을 2㎥, 복원량을 30mm, 작업연장을 40m 이내로 한정하

여 작업을 진행하였다. 한정된 수량 및 범위는 공사착수 전 현장에서 2차례에 걸쳐 시험시공을 실시하여 이동 및 설치/해체에 소요되

는 시간을 고려하여 산정하였다.

나. 주입관 간격은 넓어질수록 복원작업 효율은 높아지나 간격이 넓을 경우 궤도 하부에 공극이 발생하여 열차운행에 문제가 있을 수 있

어 주입관 간격을 3m로 제한하였고, 1일 주입 완료후 인상구간과 접한 약 12m 연장구간에 대하여 체감작업을 실시하였다.

다. 전체 80m 작업구간을 수평 5개소, 수직 3layer로 분할하여 총 13단계로 나누어 복원작업을 진행하였다. 수직 1layer 복원완료 후 공

극충진 및 확인계측을 시행한 후 다음단계 복원작업을 진행하였다.

라. 복원작업 전·중·후 실시간 계측작업을 실시하였다. 계측작업은 주입관 위치(종단 3m)마다 사전에 측점을 설치하고 작업진행에 따른

콘크리트궤도의 변위량을 실시간 확인하는 방식으로 진행하였다.

마. 복원공사는 총 26일간 진행하였고, 복원완료 후 임의의 10개 지점을 천공하여 콘크리트궤도 하부의 충진여부를 확인하였다.

직경 100mm 코어천공 후 주입재 시료를 채취하여 콘크리트와 암반 사이에 주입재가 밀실하게 충진되었음을 확인할 수 있었다.

바. 복원공사 완료 후 확인검측 및 패드 미세조정, 열차 시범운행 과정을 거쳐 열차운행 속도를 90km/h에서 170km/h로 상향할 수 있는

조건을 확보하였다.

사. 공사완료 후 약 3개월간 주기적인 계측을 실시한 결과, 시준오차(±3mm) 이내의 안정적 레벨이 유지되는 것으로 확인되었다.

5. 결 론

이상과 같이 국내 최초로 터널내부의 고속철도 콘크리트궤도에 대한 복원작업을 실시하여 공사전 서행(90km/h) 속도를 170km/h 운행속도로 운행할 수 있도록 종단선형을 확보하였다.금회 공사구간은 연장거리 80m로 전체 필요구간의 약 1/3 정도를 우선 시공하였고, 추후 전체 터널구간의 운행속도, 승차감, 선형조정계획 등을 협의하여 전체구간에 대한 추가공사 진행여부를 결정할 예정이다.터널 내부 콘크리트궤도를 복원하는 작업특성상 시간적인 제약과 공간적인 제한 등 상당한 난이도의 현장으로 여러 난제를 극복하기 위해 현장에서 채택한 공사방법과 추후 개선하여야 할 사항을 정리하면 다음과 같다.

가. 터널 내부로의 자재·장비 반출입을 매일 반복하여야 하므로 주입장비 및 운송장비의 소형·경량화가 필수적이다.

나. 복원작업 완료 후 1시간 이내에 열차가 운행되므로 주입재의 초기강도 확보 및 일별 주입량을 정확하게 산정하여 작업효율을 극대화

할 수 있는 현장별 공정계획이 필요하다.

다. 상작업후 열차운행에 문제가 없는 주입관 간격은 현재까지 3m 이내의 조건으로, 향후 주입관 간격 조정 및 작업효율을 증대시키기 위

해서는 주입재 확산범위 및 강도, 열차이동하중 등을 고려한 구조검토 및 시험을 실시하여 주입관 간격 확대에 대한 검증과 개선이 필

요하다.

라. 복원작업 시행구간에 인접한 레일의 응력집중을 방지하기 위해서는 작업구간에 인접한 레일에 대한 패드조정 또는 인상량 조절을 통

한 체감작업이 필요하다. 이에 소요되는 작업시간 단축을 위해서는 1일 작업구간 연장 및 주입량 증대, 패드조정 및 체감작업에 소요

되는 시간을 단축할 수 있는 공정개선이 필요하다.

마. 현재까지 고속철도 콘크리트궤도 복원공사는 노출구간에 있어서 다양한 시공사례가 보고되었으나 터널 내 복원작업은 금번 시공이

국내 최초의 시도였고, 성공적인 시공결과를 얻게 됨으로써 향후 대심도 터널 등 다양한 현장에 적용 가능할 것으로 판단된다.

참고문헌