2015 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2015S118 호남고속철도 400km/h 급증속구간에서의터널미기압파현장시험 Field tests of speed up to 400km/h for tunnel micro-pressure waves in Honam high-speed railway 김동현 *, 곽민호 **, 박정현 *, 강부병 *** Dong-Hyeon Kim *, Minho Kwak **, Jung Hyun Park *, Bu-Byoung Kang *** Abstract Field tests are performed to measure micro-pressure waves for HEMU-430X and KTX-Honam at the tunnel exit of the test-bed in Honam high-speed railway where tests at 400km/h are available. Two tunnels are installed at the booster region of the test bed. Each length is 550m and 323m respectively and both tunnels are comparatively short. The 34 o slanted portals are constructed at both entrance and exit of the 550m tunnel whereas the 34 o slanted portal at the exit and the tunnel hood at the entrance of 323m tunnel for the reduction of the micro-pressure wave. In this study, micro-pressure waves at the tunnel exit are measured with a maximum speed of 405km/h and the performances of the tunnel entrance hood are verified for the first time in Korea. Keywords : Tunnel, Micro pressure wave, Hood, Aerodynamics, Test-Bed 초록열차가터널에고속으로진입할수록터널진입시에발생되는압력파의크기는커지게되고터널출구에서방사되는미기압파피크값은열차진입속도의 3승에비례하여커진다. 콘크리트궤도인경우에터널연장이약 1.5km 보다더길게되면비선형성은더가파르게증가한다. 호남고속철도에서 400km/h급까지시험운행을위한 TEST-BED가마련되어 HEMU-430X 고속열차, KTX-호남고속열차를대상으로터널미기압파현장시험을수행하였다. TEST-BED 증속구간에는터널이 2개소있는데각각 550m, 323m 연장의비교적짧은터널이며, 연장 550m 터널의입구와출구는 34 o 경사갱문이설치되어있고연장 323m 터널입구에는터널미기압파저감후드를설치하고출구에는 34 o 경사갱문이설치되어있다. 본연구에서는 2개소터널에대하여터널출구에서방사되는미기압파를열차진입속도 405km/h까지측정하여미기압파저감후드의성능검증을국내에서처음으로수행하였다. 주요어 : 터널, 미기압파, 후드, 공기역학, 테스트베드 1. 서론 터널입구를고속열차가진입하게되면압축파가발생하여터널을따라터널출구쪽으로전달되어간다. 터널출구에서다시터널입구방향으로팽창파로변화되어반사된다. 터널출구로전달된압축파중반사되는팽창파를제외한일부는터널출구밖으로방사되게되는데 * 교신저자 : 한국철도기술연구원신교통연구본부 (dhkim@krri.re.kr) * 한국철도기술연구원신교통연구본부 ** 한국철도기술연구원고속철도연구본부 *** 우송대학교철도차량시스템학과
이를미기압파 (micro pressure wave, sonic boom) 라고일컫는다 (Fig. 1 참조 ). 미기압파는초저주파의특성을가져환경성소음으로주변민가에영향을미칠수있어고속열차의터널주행시고려해야할중요한요소이다 [1]. 일반적으로는저주파의특성을가지기때문에사람이직접듣기는힘들지만크기가증가하게되면, 20Hz~100Hz 대역의가청주파수대역도같이증가하여폭발음의형태로사람에게도들리게되는경우가있다. 일본신칸센에서는콘크리트궤도를적용한 1975년부터폭발음형태의미기압파가보고된바있으며, 독일에서도 2005년에동일한현상이보고되었다 [1-4]. 미기압파는일반적으로터널길이, 터널단면적에대한열차단면적의비, 열차의진입속도등에영향을받는다. 미기압파는터널내의압력파의파면기울기에비례하게되는데터널에서압력파가전파되는동안터널연장약 1km이상의발라스트궤도에서는파면의기울기가작아지는반면콘크리트궤도에서는증가하게된다. 그런이유로발라스트궤도에서는터널미기압파가감소하게되고, 콘크리트궤도에서는증가하게되어길이가긴콘크리트궤도터널에서는미기압파가더심각한영향을줄수있다 [1]. 본연구에서는초저주파압력센서를이용하여실제터널출구에서의미기압파를계측하였다. 가장최근에건설된호남고속철도에서시운전중인 HEMU-430X와 KTX-II(KTX-호남 ) 고속열차를대상으로터널미기압파를터널진입속도 405km/h까지계측하고분석하였다. 또한호남고속철도우산터널입구에설치된터널미기압파저감후드 [5-7] 의성능을검증하였다. Fig. 1 The generation process of micro pressure wave at tunnel Table. 1 Main specifications of tunnels Tunnel Length* Cross sectional Area Tunnel entrance Tunnel exit Hoeryong 550m 96.7m 2 34 o -inclined portal 34 o -inclined portal Woosan 323m 96.7m 2 Air-shafts hood 34 o -inclined portal Sensor Table. 2 Sensor characteristics for measuring micro-pressure wave at tunnel exit Available Frequency range Measuring range Characteristics of very low Frequency band Rion NL-62 1 Hz ~ 20kHz 130dB Not good Rion NA-18 0.2Hz ~ 1kHz 150dB Good Setra 239 Over 0 Hz ±500Pa Very good
2. 시험방법및조건 Fig. 2 Measuring positions at the tunnel exits in Honam high-speed line 호남고속철도 400km/h급증속 TEST-BED에위치한회룡터널과우산터널출구바깥에 Fig. 2와같이계측장비를설치하고, Fig. 3의 HEMU-430X와 KTX-II 고속열차에대한터널미기압파현장계측시험을실시하였다. Table. 1은현장시험터널들의주요제원을나타내었다. 회룡터널은연장 550m의터널이고우산터널은연장 323m의터널이다. 터널내공단면적은 96.7m 2 로같은 300km/h 운행의경부고속철도터널들 (107m 2 ) 보다터널내공단면적이 10.3m 2 줄어들었다. 회룡터널의입구와출구는 Fig. 4(a) 와같이 34 o 의경사갱문 ( 갱문길이 13m) 이설치되었는데, 경부고속철도의 45 o 의경사갱문보다 11 o 줄어듦에따라경사갱문이더길어졌다. 우산터널의입구는터널미기압파저감후드 ( 후드길이 24m) 를 Fig. 4(b) 와같이설치하였고, 터널출구는회룡터널과같은 34 o 의갱사갱문이설치되었다. 터널미기압파를계측하기위한센서들의측정위치는 Fig. 2에서와같이터널출구시작점으로부터 20m 지점이고궤도레일상면 (Rail Level) 위로 1.25m 위치에서측정하였다. 20m 측정위치는터널경사갱문의미기압파방사특성에대한연구결과를반영하였다 [8,9]. 본연구의미기압파계측에사용된압력센서는 Table. 2 와같이일본 RION 社의모델 NA-18 음압계와미국 SETRA 社의모델 239 차압센서이다. 미국 SETRA 社의모델 239 차압센서와일본 RION XN-12 음압계는터널미기압파계측을위하여, 초저주파대역에서주파수특성이평탄한지검증시험을 Ozawa에의해서수행되었다 [1]. 일본 RION 社의모델 NA-18 음압계는 RION XN-12의후속모델이며, NA-18 음압계의단종이후에최근에 RION XN-1J 모델이일본신칸센의터널미기압파간이계측을위하여사용되고있다. 여러센서의비교검토에서기준압챔버를같이사용해야하는번거로움은있지만미국 SETRA 社의모델 239 차압센서 ( 비선형성 ±0.1%) 가정밀계측을위하여타당하였다. 측정지점을통과하는차량의속도를측정하기위하여 Fig. 2와같이 Keyence 社의최대응답속도 500μs인레이저와 LED 위치검지센서 ( 모델명 : LV-H67, LV-21A Amp, PZ-G41) 를각각날씨조건에따라터널내외에설치하였으며, 시험데이터획득에는 4채널로구성된 Rion 社의데이터레코더 DA-20 모델을사용하여샘플링 2,560Hz이상으로데이터를저장하였다.
(a) HEMU-430X train (b) KTX-II train Fig. 3 Trains studied for the aerodynamic field tests in tunnels (a) 34o slanted portal at the Heoyong Tunnel (b) Air-shafts hood at the Woosan Tunnel Fig. 4 Tunnels studied for the aerodynamic field tests 3. 현장시험 결과 및 토의 터널 출구 외부에서 미기압파를 계측하는 목적은 터널출구 외부로 방사되는 미기압파(충격 성 소음/진동)를 측정하여 터널 갱구 주변 민가에 미치는 환경적 피해여부를 판단하는데 있다. 400km/h급 증속 Test-Bed인 정읍-익산 구간에는 터널이 우산터널과 회룡터널(터널내공단면적 96.7m2)만 존재한다. HEMU-430X와 KTX-II의 차량속도 169km/h 405km/h에 대하여 주행시험 을 2014년 12월 3일 ~ 2015년 3월15일의 기간 동안 수행하였다. (a) Train entry speed, 178km/h (b) Train entry speed, 403km/h Fig. 5 Micro pressure waves at the Hoeryong tunnel by HEMU-430X train in field tests
HEMU-430X 고속열차의 터널 진입시 터널출구 외부 20m 위치에서의 미기압파의 시간에 따 른 이력은 Fig. 5와 같이 열차 전두부에 의한 첫 번째 압축파의 터널내 전파로 인하여 발생한 양압의 미기압파 피크 값이 형성되고, 뒤이어 열차 후미부에 의해 발생한 팽창파가 터널내를 진행하여 음압의 미기압파 피크 값이 발생된다(Setra 239 차압센서의 계측결과). (a) Train entry speed, 189km/h (b) Train entry speed, 315km/h Fig. 6 Frequency Characteristics of micro pressure waves by KTX-II train for Hoeryong Tunnel in field tests (a) Train entry speed, 168km/h (b) Train entry speed, 342km/h (c) Train entry speed, 403km/h (d) Train entry speed, 405km/h Fig. 7 Frequency characteristics of micro pressure waves by HEMU-430X train for Hoeryong and Woosan Tunnels in field tests
(a) Air-shafts hood model at tunnel entrance (b) Decrease of micro pressure wave Fig. 8 Decrease of micro pressure wave by installing the tunnel entrance hood at Woosan Tunnel model; the verification test result using moving model test rig in 1:74 reduced scale. Fig. 9 Variation of micro pressure waves in field tests Fig. 10 Peak values of micro pressure wave in field tests 레다-2000 공법의콘크리트궤도터널에서 KTX-호남 (KTX-II) 와 Hemu-430X 고속열차에의하여발생된터널미기압파에대한주파수분석을 Fig. 6과 Fig 7과같이수행해보면호남고속철도의 500m급터널은약 15Hz 이하의낮은저주파에서 100dB의높은값이발생된다. 또한 0Hz ~ 0.2Hz의초저주파범위에서최고피크값이형성된다. 독일 DB의터널미기압파에대한환경영향평가역해석용역결과 [10] 에따르면터널진입속도 350km/h 이상에대하여 KTX-II 고속열차는국제기준치를넘을것으로판단하고있다. 짧은터널인회룡터널 (550m) 출구외부 20m지점에서 Hemu-430X 고속열차에대하여터널미기압파를측정하였는데 Fig. 10에서와같이터널진입속도 342km/h에서 51Pa의터널미기압파가방사되었다. 국제기준으로참고하고있는일본기준이터널출구 20m지점에서 50Pa 이하로권고하고있는데열차진입속도 342km/h에서이수치를넘고있다. 이는 KTX-II 고속열차의유효단면적 10m 2 보다 Hemu-430X 고속열차의유효단면적이 1.87m 2 더크기때문이라생각된다. 고속철도에서콘크리트궤도를적용한터널은터널연장이길어질수록미기압파는열차진입속도의 3 승이상으로비례하여크게증가한다 [1,2].
일본철도총합연구소의 Ozawa의연구결과 [1,2] 에따르면터널연장 1km급이하의큰크리트궤도터널은터널길이에상관없이방출되는터널미기압파크기는거의같다. 호남고속철도증속구간의우산터널에터널미기압파저감후드가 Fig. 4(b) 와같이설치되어있는데, Fig. 9와 Fig. 10의현장시험결과와같이터널출구미기압파를회룡터널의 34 o 경사갱문 ( 벨-마우스갱문 ) 보다약 43.2% 정도더저감시킨다. Fig. 8(a) 의터널미기압파저감후드모델은당초최적설계의 30.4m 길이 [5] 에서현장의여유공간문제로 24m 길이로조정된후드모델이다. 후드길이조정후에, 터널주행열차모델시험기 (Moving model test rig) 에의한 400km/h급검증시험에서면벽형터널갱문을설치한경우보다터널입구후드를설치한경우가약 55% 의저감성능을나타내었다. 이결과를적용하여 34 o 경사갱문이면벽형갱문보다약 12% 정도미기압파를더저감시킨다고볼수있으므로 [5-7], 터널미기압파저감후드는면벽형갱문보다약 55% 의저감성능을가진다. 4. 결론 본연구는콘크리트궤도를적용한호남고속철도 400km/h급증속구간테스트베드의회룡터널과우산터널에서터널진입속도 169km/h ~ 405km/h의범위에서 HEMU-430X와 KTX- 호남고속열차에대하여터널출구미기압파를계측하였다. HEMU-430X 고속열차에대하여터널진입속도 342km/h부터터널출구미기압파피크값은국제기준으로사용하는일본신칸센허용기준치인 50Pa을초과하였다. - 국내고속열차와호남고속철도터널내 / 외환경에서의미기압파에대한주파수분석을수행하였는데, 15Hz 이하의저주파대역에서만 100dB 이상을초과하고있다. 또한전체적으로0Hz ~ 0.2Hz 사이의초저주파대역에서최대피크값을나타내었다. - 호남고속철도우산터널남쪽갱구에설치된수직통풍관형후드의미기압파저감성능현장시험에서당초최적설계목표치인 55% 의저감성능을확인하였다 (34 o 경사갱문과의비교에서는미기압파최대값이 43.2% 더저감됨 ). - 터널입구후드는터널미기압파를줄일수있는가장효과적이고저렴한대책으로알려져있으며, 운영중유지보수가거의필요없다. 후기 연구는 2014년도한국철도기술연구원의주요사업인철도친환경향상기술개발사업으로이루어진것으로본연구를가능케한관계자께감사드립니다. 참고문헌 [1] S. Ozawa (1976), Investigation of Pressure Wave Radiated from a Tunnel Exit, The Railway Technical Research Institute, Railway Technical Research Report, NO. 1023, (In Japanese). [2] S. Ozawa (1979), Studies of Micro-pressure Wave Radiated from a Tunnel Exit, The Railway Technical Research Institute, Railway Technical Research Report, NO. 1121, (In Japanese).
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