1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 철도 토공부 동상피해 사례조사
2.2 지반조사
3. 결과 및 고찰
3.1 동결지수 및 동결심도 산정
3.2 동상피해 원인분석
3.3 동결지수 및 동결심도 산정 결과
3.4 강원지역 동결심도 고찰
4. 결 론
1. 서 론
최근 우리나라 철도건설사업은 원주∼강릉, 춘천∼속초 철도를 중심으로 강원산간을 통과하는 철도 계획 및 건설이 활발하게 진행되고 있다(Baek et al., 2014). 그러나 현재 개통되어 운행중인 원주∼강릉선의 경우 2017년 개통 후 현재까지 동상에 대한 피해가 지속적으로 보고되고 있어 동상원인을 상세하게 분석하여 설계 및 시공기술에 대한 보안점을 정확하게 파악하는 것이 현업에서 주요한 과제로 대두되고 있다(Ahn, 2022).
강원산간지역은 지리적 특성상 호남과 경남지역에 비해 평균기온과 겨울철 최저기온, 최저기온 지속시간이 길기 때문에 토목구조물 건설시 동상피해 발생 예방에 대한 충분한 검토가 필요하다(Kim, 1998). 도로와 달리 철도는 동상피해로 인한 철도노반의 융기 및 침하에 대해 민감하게 반응하는데 철도 설계 시 경사는 1000분의 1단위인 ‰(Permil)을 사용하며 열차가 선로 위를 고속으로 달리기 때문에 노반의 동상발생으로 노반의 예기치 못한 변위가 발생한다면 대형사고를 유발할 수 있기 때문이다.
철도건설사업에 이용되는 도상형식은 자갈도상과 콘크리트도상을 사용하고 있는데 자갈도상의 경우 초기 투자비용은 적게 들어가지만 열차반복하중에 의한 궤도틀림이 지속적으로 발생하여 열차 안전운행을 위하여 보수작업을 주기적으로 진행 하여야 한다(Jung, 2009). 최근 들어 열차가 고속화되고 승차감 및 열차운행 안정성, 도상의 유지보수비 절감 등을 위하여 콘크리트 궤도의 사용이 증가 되고 있으나 콘크리트도상은 노반에 동상피해가 발생하면 유지보수에 있어서 어려움이 있으며, 철도운행에 대한 안정성에 큰 영향을 미치게 된다(Lee and Kim, 2014). 따라서 콘크리트 노반 설계 및 시공 시에는 보다 엄격한 동결관리가 필요하며, 국내의 기후조건과 도상형식에 맞는 동결심도의 산정과 동상방지공법이 필요하다(Kim, 2013).
본 연구에서는 최근 강원산간지역에 콘크리트 도상으로 시공되어 운행중인 원주∼강릉선의 동상피해 사례에 대한 원인을 분석하고 콘크리트도상의 동결심도 산정식과 동결심도 자료를 바탕으로 강원지역의 동결심도 산정식을 제안하여 강원지역의 철도 및 도로 건설사업 시 동상 방지대책 수립에 활용할 수 있도록 기초자료를 제공하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 철도 토공부 동상피해 사례조사
철도노반 동상피해상황을 조사하기 위하여 기상청 기상연보를 조사한 결과 최근 겨울철 평균기온이 가장 낮은 연도는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 2017년으로 나타나 2017∼2018년 겨울을 중심으로 동상피해 사례 및 피해상황을 분석하였다.
2017∼2018년도의 한국철도공사 ‘동절기 동상 피해 관리현황’ 자료를 토대로 중앙선, 경춘선, 경원선, 경강선, 강릉선의 동절기 피해관리 현황을 조사하였으며, 동상 피해 발생현황은 Table 1에 나타낸 바와 같다. 동상 피해 현황 조사결과 강원도와 수도권의 동서축으로 연결된 철도(경춘선, 강릉선)와 중앙선의 북측지역에서 주로 발생하며, 자갈도상의 경우 횡단 Box상부에서, 콘크리트 도상의 경우 터널 시·종점부에서 동상 피해가 주로 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 원인으로는 지하수위는 동결심도 아래에 있으나 모관 상승고를 고려하지 않은 유공관의 낮은 심도로 인하여 동결층이 생성되어 빙정이 생성되고 이로 인해 철도 도상의 융기가 나타난 것으로 판단된다.
Table 1.
Railroad frost-heave current state (2017~2018 winter)
동상피해 연구대상지는 Fig. 2와 같이 건설교통부에서 2007년 제시한 동결지수선도와 국가철도망 구축계획을 바탕으로 동결지수가 높은 지역의 2017∼2018년 동상피해상황을 종합하여 원주∼강릉선을 선정하였다.
본 연구에서는 최근 발생한 강원지역 철도의 원주~강릉선의 동상피해 발생지역을 선정하고 동상 발생시기, 기상상황, 동상 원인 등을 분석하였다. Fig. 3 및 Fig. 4와 같이 원주~강릉선의 동상피해 발생구간으로 콘크리트 도상 깎기구간 2개소와 철도 횡단 box상부로 구성되며 터널 시종점부에서 2018년 1월에 Table 2와 같이 동상이 발생하였다.
Table 2.
Damage status of study site
동상이 발생했을 시기는 2018년 1월 말에서 2월초로 확인되었으며, 이때의 기상상황과 강수량은 Fig. 5와 Fig. 6과 같다. 동상발생 추정일의 최저기온은 –17.4°C, 최고기온은 –3.5°C, 평균기온은 –10.1°C로 나타났으며, 동상발생 추정일 이전 1달간 강수량이 매우 적었음을 알 수 있다.
2.2 지반조사
지반 조사는 동상 발생부(궤도솟음구간)를 중심으로 터널시점 2구간(TP-1, Tp-2)과 종점부 2구간(Tp-3, Tp-4)을 실시하였으며, 인력으로 굴착을 실시한 후 육안 관찰을 통해 굴착면을 확인 후 강화노반 등 각종 노반재료의 구성상태를 확인하며, 실내시험용 시료를 채취하였다. 트렌치조사 결과는 Fig. 7 및 Fig. 8과 같다.
3. 결과 및 고찰
3.1 동결지수 및 동결심도 산정
본 연구지역의 동결심도 산정을 위해 필요한 동결지수를 구하기 위해 연구지역 인근의 측후소(원주)의 최근 30년간의 기상데이터를 분석하였다.
최근 30년간의 기상데이터 분석 결과 Fig. 9와 같이 최저기온은 2012∼2013년 겨울이 영하 20.4°C로 가장 낮으며 평균기온이 영하5°C 이하로 내려간 연속일수도 Fig. 10과 같이 2012∼2013년 겨울이 가장 긴 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 2012∼2013년 기상데이터와 동상이 발생한 2017∼2018년 기상데이터를 바탕으로 동결지수를 산정하였다.
원주지역의 겨울철 기상자료를 바탕으로 일평균 누계기온을 통한 동결지수 및 동결일수를 Fig. 11 및 Table 3과 같이 산정한 결과 2012∼2013년 겨울의 경우 동결지수는 358.9(°C·일), 2017∼2018년 겨울은 253.5(°C·일)로 나타났다.
Table 3.
Freezing index result
결정된 동결지수와 동결기간을 활용하여 동상이 발생한 터널 시종점부의 동결지수로 변환하기 위하여 Table 4와 같이 수정동결지수를 산정하였다. 동상피해 현장의 지반고는 확인 결과 136.2m로 나타났으며, 수정동결지수 산정식은 식 (1)과 같다.
Table 4.
Modified freezing index result
수정동결지수를 통하여 동결심도를 두가지 방법으로 산정하였다. 첫째로 최근 10년간 해당지역의 최대동결깊이를 이용하여 동결깊이를 구하는 최대동결깊이 산정식(데라다 공식)과 Table 5를 통하여 산정하였고, 둘째로는 Fig. 12와 같이 ‘철도구조물의 동해방지공법 및 설계 시공 유지관리 지침개발–철도용 동결깊이 산정(Kim, 2013)’ 방법을 통하여 산정 후 비교·분석하였다.
Table 5.
Correction factor by freezing index
| Freezing index | 0~99 | 100~199 | 200~299 | 300~399 | 400~499 | 500~599 | 600~ |
| Correction factor (C) | 27.3 | 30.2 | 35.6 | 42.1 | 48.1 | 53.0 | 59.1 |
2018년 1월 동상발생 피해자료(궤도 솟음량)와 트렌치 조사 결과를 바탕으로 피해발생시점의 동결심도와 모관상승량을 분석하였다. 동상동결심도와 모관상승고 산정을 위하여 트렌치 조사를 통해 동상피해 당시의 지하수위 심도를 측정한 결과 시점부는 1.3m, 종점부는 0.7m로 확인되었다. 그리고 동결층의 두께는 솟음량÷동상팽창율을 통해 산정하였다.
동상 팽창율별 동결심도를 산정한 결과 동상팽창율 7%일 때 동결심도가 1.06m로 Kim(2013)의 콘크리트도상의 동결심도 제안식으로 계산한 값 1.12m와 유사한 것을 확인하였다. 본 동결피해 구간의 동상피해는 동상팽창율 7%이고 동결심도는 1.06m, 모관상승고는 1.08m인 것으로 나타났으며, 동상팽창율별 동결심도 및 모관상승고 산정결과는 Table 6과 같다.
Table 6.
Frost depth and capillary height by frost heaving ratio
3.2 동상피해 원인분석
터널 시점부의 지하수위와, 동결심도, 모관상승고, 동상피해 솟음량 등을 통하여 동상피해 발생을 Fig. 13과 같이 도식화 한 결과 동상피해 발생시점인 2018년 1월의 동결층의 두께는 0.29m로 나타났으며, 동상팽창율이 7%일 때 동상량은 20mm인 것으로 나타났다. 최근 30년동안 가장 추운 겨울(2013년)의 동결심도를 적용해 본다면 동결층의 두께는 0.44m이고 동상량은 31mm로 판단된다.
3.3 동결지수 및 동결심도 산정 결과
Fig. 14는 국내 토목구조물 설계 및 시공 시 주로 사용되는 동결심도 산정식에 대하여 강원지역 콘크리트도상에서의 동결심도 실측치와 원주~강릉 동상피해지역 동결심도 산정치를 도식화한 것이다.
Korea National Railway(2017)에서 사용되는 동결심도 산정식과 강원지역 콘크리트도상 동결깊이 측정치를 비교한 결과 해당 식들을 통해 산정된 동결심도가 매우 낮게 나오는 경향이 있어 강원지역에서의 동결심도 산정에는 부적합 한 것으로 판단된다. 다만 철도설계기준 간편식의 경우 동결지수가 580(°C×일)이상의 구간에서는 동결심도가 측정치와 부분적으로 일치하는 경향을 보였다.
산출식에 대입된 값들은 기존의 기존 연구자료에서 획득한 10개소와 본 연구에서 원주~강릉 동상피해구간에서 산출한 동결심도를 추가하여 콘크리트도상의 동결심도 경향성을 분석하였으며, 도출된 식은 식 (2)와 같다.
여기서, Z : 동결깊이(mm)
F : 수정동결지수(°C×day)
현재 철도가 운행 및 계획되는 원주~강릉성과 춘천~속초노선은 동결지수가 600(°C×일)이상으로 측정되는 지역도 분포하고 있으나, Kim(2013)의 동결심도 제안식은 동결지수 600(°C×일)이상의 실측값이 없는 상태에서 식을 제안하였기 때문에 강원산간지역에 건설되는 콘크리트도상의 동결심도 산정식으로 적용하기에는 고려해야 할 점들이 있는 것으로 사료된다.
Table 7은 Kim(2013)이 제시한 산정식과 본 연구의 제안식에 따라 도출된 동결심도 값이며, Fig. 15와 같이 두 제안식을 비교하여 나타내었다.
Table 7.
Frost depth by freezing index
| Division | Freezing Index (°C×day) | Frost Depth (cm) |
| 2012~2013 winter (Kim, 2013) | 352 | 121 |
| 2017~2018 winter (This study) | 231 | 106 |
Kim(2013)이 제시한 산정식의 동결심도 값이 높게 제시된 것은 철도 콘크리트노반 설계시 안전성을 확보하고자 동결심도 실측값보다 보수적 관점에서 접근한 것으로 판단된다. 본 연구에서 제안한 산정식은 실측데이터가 적지만 현장에서 계측된 자료와 잘 일치하고 있어 강원산간지역을 통과하는 콘크리트도상의 동결심도 산정에 활용 가능할 것으로 판단되며, 앞으로 현장에서 많은 동결심도 계측데이터를 확보한다면 제안식의 정확성을 높일 수 있을 것이다.
3.4 강원지역 동결심도 고찰
Hong et al.(2018)은 강원지역에 동결심도를 파악하기 위하여 동결깊이 측정장치를 설치하고 1991~2018년의 겨울의 포장국도의 동결심도를 실측한 바 있으며, 이 자료는 동결지수가 600(°C×일)이상인 지역도 다수 포함하고 있어 강원지역의 전반적인 동결심도를 파악할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 Kim(2013)과 Hong et al.(2018)의 연구에서 실측한 동결심도 계측데이터를 바탕으로 본 연구대상지의 동결심도를 추가하여 강원지역의 동결심도 경향성을 식 (3)과 같이 도출하였다(Fig. 16 참조).
여기서, Z : 동결깊이(mm)
F : 수정동결지수(°C×day)
콘크리트도상 경향성 곡선과 동결심도 경향성 곡선을 비교해 본 결과 콘크리트도상은 동결지수 400(°C×일)이하에서는 동결심도가 강원지역의 동결심도보다 높게 나타나며, 동결지수 400(°C×일)이상의 구간에서는 강원지역의 동결심도가 콘크리트도상의 동결심도보다 높게 나타났다.
강원지역의 토목구조물 건설 시 실측값을 토대로 지역조건을 반영한 동결심도 제안식을 활용하여 동결심도를 산정한다면 보다 합리적인 구조물의 설계 및 시공이 가능할 것으로 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 국내 동상피해 발생지역 중 동결지수가 높은 강원산간지역의 콘크리트도상 현장에 대하여 동상피해 원인과 동결심도를 분석하고 동결심도 자료를 바탕으로 콘크리트도상의 동결심도 산정식 및 강원지역의 동결심도 산정식을 고찰하였으며, 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
1. 강원도 철도노반 중 동상이 주로 발생하는 동상피해 구간을 분석한 결과 주로 강원산지와 북부지역에 건설된 철도 선로에 대하여 동상피해가 보고되며, 철도노반의 주요 동상피해 구간은 터널시종점부와 횡단box 상부에서 나타나는데, 이러한 원인으로는 지하수위는 동결심도 아래에 있으나 모관상 승고를 고려하지 않은 유공관의 낮은 심도로 인하여 동결층이 생성되어 빙정이 생성되고 이로 인해 철도도상의 융기가 나타난 것으로 판단된다.
2. 본 연구를 통해 산정된 동결심도를 토대로 콘크리트도상의 동결심도 및 강원지역의 동결심도 산정식을 제안하였다.
(콘크리트노반 동결심도 산정식)
(강원지역 동결심도 산정식)
여기서, Z : 동결깊이(mm),
F : 수정동결지수(°C×day)
3. 콘크리트도상 경향성 곡선과 동결심도 경향성 곡선의 비교 결과 콘크리트도상은 동결지수 400(°C×일)이하에서는 동결심도가 강원지역의 동결심도보다 높게 나타나며, 동결지수 400(°C×일)이상의 구간에서는 강원지역의 동결심도가 콘크리트도상의 동결심도보다 높게 나타났다. 강원지역의 토목구조물 건설 시 실측값을 토대로 지역조건을 반영한 동결심도 제안식을 활용하여 동결심도를 산정한다면 보다 합리적인 구조물의 설계 및 시공이 가능할 것으로 사료된다.
