본 내용은 내가 태백선 선로를 관리하고 있을 때 1995년도에 영월군을 통과하는 선로를 옮겨 설치하여 PC빔 구조인 영월 강 교량이 개통되어 열차가 운행하는 과정에 열차진동이 심하고 레일 파상 마모가 발생하여 그 원인을 찾아 해결한 과정을 정리한 것입니다. 원인을 분석하는 과정에서 슬라브 교량에서 도상 자갈의 두께가 중요한 역할을 한다는 것을 알았습니다.
◎ 레일 파상 마모 검토 배경
레일 파상 마모 발생 개소인 태백선 청령포-영월 강 영월 강 교량은 1994년 12월에 이설 개통한 단순P.S.C Beam 장대교량으로 2001년부터 교량상에서 부분적으로 레일 파상 마모가 발견되었고, 서서히 교량 전 구간에 걸쳐 레일 파상 마모가 진행되는 상태임.레일 파상 마모가 선로에 미치는 영향은 열차 통과 시 소음 발생과 차량축상에 전달되는 진동으로 승차감이 불쾌할 뿐만 아니라 진동이 침목 하면으로 전달됨으로 도상이 파쇄 고결되어 분이 발생의 원인이 되며, 또한 파상 마모가 어느 한계점에 도달되면 레일두부 상면이 압좌(壓座) 되면서 레일에 균열이 발생할 수 있으므로 레일 교환 주기가 짧아짐.그러므로 레일 파상 마모가 선로에 미치는 영향이 크므로 그 원인을 검토 분석하여 해결함으로 선로의 보수 주기 연장과 승차감 향상에 이바지하고자 함.
영월강교량 전경
□ 시설현황
○ 교량현황
- 교량명 : 영월강교량
- 위 치 : 태백선 청령포˜영월간 32k084˜33k218
- 구 조
▷ 형 식 : 단순 P.S.C Beam교
▷ 교 장 : 전장 1,134.30m
▷ 교 폭 : 단선6.60m
▷ 경 간 : 29.02m
▷ 경간수 : 39경간
※ 철도교량으로는 국내최장교량
○ 선로현황
- 직 곡 : R=800m(캔트 60mm)
- 레 일 : 50kgN 50.00m 장척레일
- 체 결 : 코일스프링크립
- 침 목 : PC침목
- 도 상 : 깬자갈 도상(도상두께 210˜300mm)
[영월강상부구조 및 선로단면도]
□ 레일파상마모에 대한 문제점분석
영월강교량 상부에서 파상마모가 발생되는 문제점을 분석하기 위하여 일반적으로 파상마모가 발생되는 요인을 선정하여 교량상부에 대한 선로상태와 교량의 구조상 문제점 등을 현장조사 분석하여 해결방안을 찾고자 함.
○ 레일파상마모 발생주요인
- 레일의 제작 결함
- 노반불량 또는 콘크리트 도상
- 도상두께 부족 또는 불량
▷ 토사혼입 과다
▷ 분니 발생으로 침목 직하부 도상의 견고, 고결화로 탄성부족
○ 영월강교량 및 궤도 현장조사결과
- 교량의 구조 검토
▷ 안전진단실시 : 98년 12월 시설안전기술공단
▷ 안전진단결과
[제하시험]
횡방향변위는 최대 1.98mm 횡방향변위의 제한규정(UCI Code)인5.0mm를 초과하지 않으므로 변위로 인한 사용성 문제는 없는 것으로 판다.
[ 동적구조해석 및 사용성평가]
변위의 최대 값이 크지 않으므로 현재의 운행속도를 유지해도 구조안정성에는 문제가 없는 것으로 판다.
[구조안정성 및 내하력평가]
구조해석과 재하시험 결과를 이용하여 내하력을 검토한 결과 설계내하력 LS=22를 상회하는 것으로 판단.
[유지관리방안]
1. 자갈도상두께 유지 : 20cm
2. 설계 캔트량 유지 : 60cm
○ 궤도구조상태 조사
- 레일
▷ 제작연도 : 1994년 5월
▷ 제작회사 : 강원산업
▷ 레일종별 : 50kgN 25.00(50.00m장척화)
▷ 마모상태 : 파상마모 0.2˜0.5mm(교량전후 파상마모 없음)
: 이음매 끝닳음 4˜5mm(교량전후 1.5˜2mm)
[레일마모측정]
2001년 12월 32k650지점 레일이음매부 파단(破段)균열 교환
- 도상자갈
▷ 도상자갈 두께 : 침목하면에서 20 ～ 30cm
▷ 토사 혼입율 : 50 ～ 60%(침목 직하부) 침목사이 및 어깨도상 양호함
[도상자잘 체가름]
▷ 분니발생 정도
: 교량 시점 및 종점부 부분적으로 분니발생 분니개소 침목 직 하부는 도상이 파쇄되고 견고, 고결화 되어 있음
□ 문제점분석 결과
○ 레일의 재질
- 청령포～영월간은 94년 12월 이설 개통한
선로로 전구간 동종의 레일로 부설되었으나, 교량상부만 파상마모가 발생하고 교량전후구간은 파상마모가 발생하지 않으며, 또한 이음매부 끝닳음도 교량상부에서는 일반구간에 비하여 약 2mm정도 진행이 빠른 편임.그러므로 레일의 제작과정에 재질불량 이라고는 보기 어려움.
○ 도상자갈
- 도상의 두께
교량상부 도상두께는 20～30cm로 국유철도 건설규칙 제18조(도상두께) 3급선 27cm에 비교적 만족하는 편이나시․종점부 약100m구간은 부족한 편임.
- 토사혼입율
교량상부 침목사이 및 도상어깨부분은 양호하나
침목하면에서는 분니 발생개소의 경우는 약60% 분니가 발생되지 안은 개소는 약50%로 토사 혼입율이 높은 편이고,
또한 분니개소의 침목하면 도상자갈은 파쇄되어 토사와 혼입 고결(固結)되어 도상의 기능을 상실한 상태임.
도상자갈에 토사혼입 발생원인을 살펴보면 태백선은 산업선으로 무연탄, 시멘트 수송시 낙탄, 분진이 선로에 떨어져
토사혼입율이 높고, 또한 교량 슬래브에 배수공이 양단부 좌우측 4개소만 설치되어 있어 우수에 침전된 토사가 퇴적되어 침목하면에서 토사혼입율이 높은 것으로 판단됨.
□ 결 론
상기와 같이 파상마모에 대한 원인을 다각도로 조사한 결과 레일의 제작결함. 이라고는 볼 수 없고, 침목이 받는 차량하중을 노반에 전달하는 도상자갈이 토사혼입으로 그 역할이 약화되고 있으며 슬래브교량의 특성상 도상자갈의 분포 하중을 흡수할 수 없어 배수불량으로 토사가 혼입된 침목하면 도상자갈이 점차 고결 되면서 그 기능을 상실하여 레일이 차량의 충격하중을 받아 파상마모가 발생된 것으로 볼 수 있음.
□ 개선방안 및 향우추진계획
○ 개선방안
레일의 파상마모에 대하여는 그 한도가 명확히 규정된 바는 없고 선로정비규칙 제19조(레일교환) 제1항 레일직마모(50kg) 12mm도달시 교환토록 규정하였으나 이를 파상마모에 적용하기는 어렵고, 경부고속철도에서 파상마모가
0.2mm도달하였을 때는 교환토록 정하고 있음.
그러므로 우선레일교환을 시행하여야 할 필요성은 없으나 파상마모가 계속진행하고 있고 영월강교량은 도심에 인접하여 열차통과시 파상마모 요철부와 차륜이 접촉 발생하는 소음에 대하여는 대책을 강구하여야 하고 차축 충격하중에 따른 침목하면 도상이 파쇄 고결로 분니발생 승차감 불량과
보수주기가 빨라짐으로 파상마모의 근본원인을 해결함과 동시 레일을 교환 장대화 하여야 할 것으로
생각됨. 장기적으로 슬래브 교량의 도상자갈 궤도에 대하여도 레일의 수명연장을 위하여 레일연삭기로 레일두부연삭에 대하여도 검토할 필요가 있고, 또한 레일과 침목사이에 방진폐드를 설치하여 차축 충격 및 소음에 대하여도 검토할 필요가 있음.
도상자갈의 경우는 도상두께를 현제 20～30cm 전구간에 걸처 30cm이상 되도록 선로를 높이고 자갈치기를 시행하여 침목이 받는 차축하중을 도상에 고루 분포될 수 있도록 하여야 함.
배수를 양호하게 하기 위하여 슬래브에 배수공을 추가 설치할 필요성이 있으나 이는 교량의 구조 안전을 검토하여야 함.
○ 향후추진계획
- 금년 중 1종기계작업 시행으로 도상 두께 확보
- 2종기계 자갈치기 시행
- 레일장대화 사업시행
[부연]
▷ 2002년 검토 후 2003년부터
- 2종자갈치기
- 도상두께 30cm이상 확보
- 장대레일부설 후 파상마모가 발생하지 않음
▷ 스라브교량에서 레일파상마모관리는 도상의 두께와 탄성이
중요한 역활을 하는것으로 판단됨
조사보고 선로팀장 김경수
김경수 선로이야기
철도 선로와 관련한 잡다한 이야기 입니다.
kyung57soo.tistory.com
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