철도 선로에서 좌굴현상이란?

금년은 유난히도 덥고 긴 여름이 이어진다.

철도유지보수 42년(1976년∼2018년)을 접고 모처럼 편안한 마음으로 여름휴가를 즐기기도 했지만 아마도 내가 철도 유지보수 현장에 있었다면 가장 힘든 여름을 보내야 했을 것 같다.

철도공사는 111년 만에 무더위라고 폭염대책본부를 운영하면서  코레일사장(오영식)과 시설기술단장(구자안)이 선로가 휘어지는 것 즉 "좌굴 현상"을 방지하기 위해 살수작업을 하는 사진이 언론에 보도되는 것을 보면서 아... 현업 선로유지보수 현장 직원들 고생하는 모습과 지난날들이 주마등처럼 스처 지나간다.

 

여름철 선로가 휘어지는 현상(방향 틀림 또는 좌굴 현상)에 대하여 내가 선로유지보수 현장에서 겪어온 경험을 토대로 몇 자 적어본다.

 

좌굴 현상에 대한 사전적 의미로는?

"구조 부재의 면내 압축 응력이 있는 한계값에 도달하면 압축 방향으로 직각인 변화(휨 변위, 면의 변위)가 급격히 증대하는 현상이다".라고 정의되어 있고, 여기에 어쩌고, 저쩌고 하는 부수적인 논조가 따라붙는 데 나는 전문 공학도도 아니고 하여 다음 백과사전에서 한 줄만 가져왔다.

사실 언제부터인가 선로에서 좌굴(방향 틀림)이 났다하면 원시적 사고라고 했다. 그리고 좌굴이란 용어는 외부에서 보는 시각이 사고와 직결되는 너무 부정적인 용어라고 해서 "방향 틀림"이라고 고처 쓰기도 했다. 실제 좌굴이라고 해서 다 기차가 못가는 것도 아니고 그 틀림의 정도에 따라 열차는 정상운행할 수도 있고  때로는 서행을 할 수도 있다. 지금은 궤도구조가 개량되어 고온시간대에 인위적으로 선로를 건들지 않으면 방향 틀림(좌굴)은 그리 많이 발생하지 않는다.

 

폭염 선로좌굴에 대비하여 살수훈령을 하고 있다. 살수 전.후 레일온도를 확인해 볼 필요가 있다.

 

실제 내 경험으로 보아 개량된 장대레일 선로에서 좌굴(방향 틀림)발생은 국부적인 궤도 불량( 분니, 뜬침목, 도상자갈부족, 용접불량)으로 방향 틀림이 발생하고 이는 크게 틀림 량이 20mm 이내로 외관상 보기는 안 좋으나 일반철도의 경우 열차운행에는 크게 지장이 없다. 이때 열차서행 또는 정상운행 통과 여부를 감시를 하면서 즉시 살수 작업을 해야 한다. 살수는 동력분무기를 동원하여 방향틀림 개소 약 50m 전후(궤도틀림 상태에 따라 최대 100m전후 까지)를 충분히 살수를 한다. 

 

1990년대 말 선로 개량사업이 시작되고 복선전철화 개통이 증가하였다. 궤도구조가 장대화로 개량 되면서 좌굴에 대한 사고가 나지를 말아야 하는데 그렇지 못한 것 같았다. 이는 궤도구조 개량으로 오히려 레일의 장척화, 장대화가 되면서 유지관리의 잘못으로 인한 좌굴 사고가 발생한 것 같다.

장척레일, 장대레일구간에 대한 유간정정을, 장대레일 재설정을 적기에 하지 않았다 던가 고온 시간대에 궤도보수작업, 1종장비작업, 노반공사  등으로 도상자갈의 횡,종저항력을 약화시킨 결과 좌굴이 발생한 것이 대부분이다.

궤도를 개량하면서 일반구간에 장대레일을 부설할 경우, 특별히 좌굴 안정성의 저하를 고려해야 한다. 물리적으로 레일과 같이 연직의 가늘고 긴 부재에 축방향의 힘(레일의 경우는 주로 온도변화에 의한 신축이 구속됨에 의해 발생)을 가했을 경우 축방향력이 작은 구간은 압축 응력만 발생하고 축방향변위는 생기지 않는다. 그러나 축방향력이 커지게 되어 일정 한도를 초과하게 되면 안정 상태로 균형을 유지할 수 없어 갑자기 횡방향으로 굴곡한다.  이를 "좌굴현상"이라고 한다.

장대레일을 부설하게 되면 부설 당시 온도를 확인해야 하고 노반이 부족하면 노반을 확보하고 도상저항력이 확보되도록 도상자갈을 충분히 보충하여야 한다. 이때 PC침목을 동시에 교환하게 되면 장대레일 재설정전에 2종자갈치기도 시행하여야 한다.

그리고 특히 겨울철이나 저온시간대에 장대레일을 부설한 경우 부설온도에서 레일오도가 40도 이상 올라가기 전에 반드시 재설정을 해야 한다.

 

그 외 좌굴 발생에 대한 대표적인 원인을 살펴보면

(1) 궤도 틀림의 영향(분니, 뜬침목 등)
(2) 도상 저항력의 영향(도상자갈 부족, 장비작업, 노반공사 등)
(3) 초기 레일 굴곡도(레일운반 시 굴곡, 용접불량 등)
(4) 레일 체결장치의 회전 저항력 (체결장치 불량 등)
(5) 궤광의 중량(레일종별, 침목종별)

(6) 열차통과시의 진동에 의한 영향

(7) 축하중 작용시 레일 전후부에 발생하는 부상(Up-Lift)등을 대표할 수 있다.

 좌굴발생을 예방하려면 그 원인을 해소해 주면 된다.

좌굴예방 쉽고도 간단하지........

하지만

레일운반, 용접, 노반확보, 도상자갈 보충, 도상자갈치기, 체결구 보수 등 이러한 일들이 장대레일부설 공사에서부터 재설정 완료까지 차근차근 추진해야 할 일들이다.

근래에 들어서는 장대레일을 부설해 놓고 유지보수를 하면서 1종장비작업, 2종자갈치기,노반공사 등을 시행하면서 사전에  충분이 검토를 하지 않아 작업 중에 좌굴사고가 발생한 경우도 있다. 이는 유지관리책임자가 장대레일 이론을 충분히 숙지하지 못한 결과일 수도 있다.

일반 정척레일 구간이든 장척레일 구간이든 장대래일 구간이든 궤도의 태동기에서 부터 궤도의 구조를 잘 파악해야 한다. 그리고 거기에 따른 적절한 대응책을 수립 관리해야 한다. 

두서없이 한참을 적고 보니 기승전결이 제대로 안된 것 같기도 하고

 

도상횡저항력 참고하시기 바랍니다.

도상횡저항력의 중요성 (tistory.com)

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김경수 선로이야기 (tistory.com)

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