제출문 국토교통부장관귀하 이보고서를 " 고속철도용터널미기압파저감후드실용화기획연구 " 과제의 최종보고서로제출합니다. 2015. 04. 20. 주관연구기관명 : 한국철도기술연구원주관연구책임자 : 김동현참여연구원 : 고태환, 곽민호, 김정석, 김정국, 안성권 위탁연구기관명 : 비엔텍아이엔씨위탁연구책임자 : 이호석연구원 : 홍기혁, 박민호 - i -
< 보고서요약서 > 과제고유번호 연구사업명 해당단계 연구기간 2014. 10. 21 ~ 2015. 4. 20 국토교통연구기획사업 단계구분 (1) / (1) 연구과제명 고속철도용터널미기압파저감후드실용화기획연구 연구책임자 연구기관명및 소속부서명 김동현 해당단계참여연구원수 총연구기간참여연구원수 한국철도기술연구원신교통연구본부 총 : 내부 : 외부 : 총 : 내부 : 외부 : 9명 9명명 9명 9명명 해당단계연구비 해당단계연구비 공동연구기관 - 국제공동연구상대국명 : 상대국연구기관명 : 위탁연구연구기관명 : 비엔텍아이엔씨연구책임자 : 이호석 요약 ( 연구결과를중심으로개조식 500 자이내 ) 보고서면수 정부 : 50,000 천원계 : 50,000 천원 정부 : 50,000 천원계 : 50,000 천원 최근국내철도터널설계는터널내공단면적을축소하여터널건설비를크게절감하는추세 이며, 유지관리효율성등을감안하여콘크리트궤도공법을적용하고있으며열차의고속화 추세임. 이때나타나는문제점인터널미기압파환경소음 진동문제를저렴한대책으로 해결하는것을본연구의목표임 고속철도용터널미기압파저감대책실용화기술개발의경제적타당성검토, 시작품제작, Test-Bed 구축및시험평가, 시제품보급에필요한핵심기술개발기획을다음과같이수행 하였음 - 기술개발동향및환경분석, 기술개발비전및목표수립 - 연구목표달성을위한추진전략및추진체계수립 - 연구수행을위한세부과제도출, 기술개발을위한로드맵제시 - 성과물에대한활용방안및실용화추진방안제시, Test-Bed 추진전략제시 - 소요예산산정, 연구개발사전타당성 ( 정책적, 기술적, 경제적타당성 ) 조사수행 - 과제공모를위한 RFP 작성및평가기준설정 기획연구를통해다음과같은세부과제를도출하였음 준고속철도용터널미기압파저감대책실용화기술개발 - 250km/h 급고효율후드의실용화를위한통합설계및평가기술개발 - 250km/h 급고효율후드의공기역학적성능평가및모니터링기술개발 - 국내고속열차차량특성과철도터널주변환경에대한미기압파민감도연구 - 250km/h 급고효율후드의실용화구조안정성및공용중시공성향상기술개발 색인어 ( 각 5 개이상 ) 한글 영어 고속철도, 터널, 미기압파, 소닉붐, 후드, 터널주행열차모델시험기, 현장시험, 건설비저감 High Speed Railway, Tunnel, Micro Pressure Wave, Sonic Boom, Hood, Moving Model Test Rig, Field Test, Test Bed, Reduction of Construction Cost - ii -
< 요약문 > 1. 기획연구의목표 최근국내철도터널설계는터널내공단면적을축소하여터널건설비를크게절감하는추세이며, 유지관리효율성등을감안하여콘크리트궤도공법을적용하고있으며열차의고속화추세임. 이때나타나는문제점인터널미기압파환경소음 진동문제를저렴한대책으로실용화하는핵심기술개발기획 2. 기획연구의필요성 < 터널출구에서의미기압파방사현상및민가의환경피해 ( 폭발음 & 진동 )> 고속열차가터널에진입할때압력파가생성되어터널의끝을향하여음속으로전파된 다. 이러한압력파의일부분은충격성소음 / 진동의형태로터널출구로부터외부로방사 되는데이를미기압파 (micro-pressure wave) 라고부르며, 터널근처의민가에서는폭발 음의환경소음과함께심한저주파진동을느끼게됨. 경부 / 호남고속철도는터널진입속도대비터널내공단면적이매우크기때문에 터널 미기압파 라는폭발음발생이없으나, 최근국 내외터널설계는사업비축소, 유지관리효율성등을감안콘크리트궤도공법 을적용, 단면축소와고속화추세로터널미기압파대책마련시급 - 일본, 독일, 중국등고속열차운영국들은 08 년이후부터미기압파허용기준 을마련건설단계부터저감시설을설계에반영 구분경부고속호남고속중앙선일본독일중국 터널단면적 (m 2 ) 107( 복선 ) 96.7( 복선 ) 66( 복선 ) 40( 단선 ) 63.4~66( 복선 ) 62( 단선 ) 48.6( 단선 ) 운행속도 (km/h) 300 300 250 245~260 250 200 허용기준없음없음없음있음있음있음 저감시설설치없음없음없음있음있음있음 ( 미기압파 ) 고속열차가터널에진입할때공기의압축으로압력파가생성되어터널의끝 을향하여음속으로전파되어터널출구로부터외부로방사되어, 터널출구외부의민 - iii -
가에폭발음과함께심각한진동을일으킴 ( 해외허용기준 ) 일본기준이국제기준으로적용중이며, 터널출구 20m 지점에서 50Pa 이하, 민가근방 ( 보안물건 ) 에서 20Pa 이하 터널입구미기압파저감후드 는최소터널단면적과콘크리트궤도를제일먼저적용한일본신칸센철도에서 1975년이후에지속적으로연구개발하여, 현재독일, 프랑스등의유럽과중국등은일본에서개발한 창문형후드 를사용하고있음. 일본의미기압파저감후드는 35년동안의연구개발및개량으로지적재산권상에서그동안독점적지위에있었음. < 일본신칸센의미기압파저감후드 > < 독일 ICE 의미기압파저감후드 > < 프랑스의미기압파저감후드 > < 중국의미기압파저감후드 > 운행속도 200km/h 이상의고속철도에서터널미기압파저감후드대책은시공비가저렴하며, 궁극적으로최적설계의터널단면적에서적용되기때문에최선의터널건설비절감방법임. 국내에터널출구미기압파허용기준 ( 규제치 ) 이없어신뢰성있는환경영향평가수행곤란 Ÿ 현재설계중인 100개소이상의터널이콘크리트궤도및최소내공단면적으로계획되어있어미기압파에따른민원급증예상 철도건설이완공된후에저감대책을적용할경우열차운행안전성, 지장물이설, 매몰비용추가, 산악지형조건등으로공사비 5~6배증가 - iv -
3. 기획연구의내용및범위 기술개발동향및환경분석 기술개발비전및목표수립 연구목표달성을위한추진전략및추진체계수립 연구수행을위한세부과제도출 기술개발을위한로드맵제시 Test-Bed 추진전략제시 성과물에대한활용방안및실용화추진방안제시 인력투입계획및소요예산산정 연구개발사전타당성 ( 정책적, 기술적, 경제적타당성 ) 조사수행 과제공모를위한 RFP 작성및평가기준설정 4. 세부과제의도출 철도터널단면적축소에의한건설비저감및기존고속철도속도향상시의문제점인 민가에미치는터널미기압파환경소음 진동문제를저렴한대책으로해결하기위하 여다음과같이세부과제를도출하였음. - v -
250km/h 급고효율후드의실용화를위한통합설계및평가기술개발 Ÿ 국내외현장시험데이터의분석으로환경영향평가경험식의경험상수평가 Ÿ 초고속터널주행열차모델시험장치에 1/60축척실형상터널및후드설계 / 제작, 실용화성능평가 Ÿ 초고속터널주행열차모델시험장치에의한 TEST-BED 사양의 1/60축척사갱및기재갱의실용화성능평가 Ÿ 차세대고효율후드의경제성평가에의한기술가치평가 Ÿ 환경영향평가경험식의경험상수평가에대한 CFD해석검증 Ÿ 주변민가에미치는터널미기압파환경영향평가의상용화 S/W 개발 Ÿ 후드의첨단소재및슬림화구조검토및적용성평가 Ÿ 주변환경과어울리는후드스타일링산업디자인수행 Ÿ 적용소재에안정성과신뢰성이검증된후드 1차시작품제작 (1/10축척 ~1/70축척 ) Ÿ 본선 TEST-BED 시제품현장시험의장거리모니터링시스템 ( 성능평가 ) 구축 Ÿ 250km/h 급운행에서터널미기압파허용기준의지원및개정 ( 안 ) Ÿ 본선 TEST-BED 에서시제품의시험평가모니터링수행및시험결과분석 250km/h 급고효율후드의공기역학적성능평가및모니터링기술개발 Ÿ 3D CFD 해석에의한고효율후드구조체의공기역학적성능평가기법개발 Ÿ 본선 TEST-BED 에서의다목적시험용후드의통풍관개구부의면적원격제어및계측인터페이스설계연구 Ÿ 본선 TEST-BED에서의계측지그, 시그널케이블링배치, 콘트롤박스구성및인터페이스설계 ( 주관기관중앙모니터링 -빅데이터의 LTE급무선전송시스템 ) Ÿ 본선 TEST-BED 에의다목적시험용후드의주관기관중앙모니터링 S/W 작성및구축, 빅데이터분석 / 처리 Ÿ 본선 Test-Bed 노선터널들의사양, 사갱, 기재갱, 터널주변민가및이격거리도면 - vi -
화, 데이터베이스화 국내고속열차차량특성과철도터널주변환경에대한미기압파민감도연구 Ÿ TEST-BED 노선의터널출구갱문형상에따른미기압파 3차원방사패턴분석연구 Ÿ TEST-BED 노선의터널출구외부지형환경에따른미기압파 3차원방사패턴연구 Ÿ 국내콘크리트궤도터널의터널내상세사양에대한방사미기압파의주파수특성연구 Ÿ 250km/h 급국내외고속열차와터널사양에대한방사미기압파크기의비교연구 Ÿ 미기압파의크기및 FFT 분석에따른국내민가분포특성에미치는영향평가 250km/h 급고효율후드의실용화구조안정성및공용중시공성향상기술개발 Ÿ 운행중인철도노선에서의터널입구후드의저비용설치소재 / 시공법개발 Ÿ 터널입구후드의교량설치구조설계 / 시공향상기술개발 Ÿ 후드의첨단소재검토및슬림화구조후드의공진방지및내진성능해석평가및시험평가모니터링, 시험결과분석 Ÿ 본선 TEST-BED 에서의구조안정성및시공성향상기술연구 Ÿ 본선 TEST-BED 현장시험의다목적시험용후드의실시설계도면작성 Ÿ 250km/h 급실용화를위한최적설계의고효율후드의실시설계도면작성 Ÿ 콘크리트후드와강구조후드등에대한안전기준및지침마련 - vii -
< 목차 > 1 장연구과제의개요 1 1절터널미기압파저감대책기술의정의 1 2절기획연구의배경및목적 2 1. 기획연구의배경및목적 2 2. 터널미기압파의이론적배경 8 3 절기획연구의범위및내용 12 1. 연구범위 12 2. 연구내용 13 2 장환경분석및대응전략 14 1 절기술동향분석 14 1. 기술분류 14 2. 국내외논문분석 14 3. 국내외특허분석 33 4. 분석결과에따른시사점 50 2 절국내외시장현황및전망 52 1. 국외시장환경 52 2. 국내시장현황및전망 54 3. 해외시장현황및전망 58 4. 분석결과에따른시사점 63 3 절국내외정책동향 64 1. 정책동향 64 2. 국내외관련법규및평가방법동향 67 3. 국내외설계정책동향 75 4. 분석결과에따른시사점 100 4 절연구개발인프라분석 101 1. 터널미기압파관련연구기관현황 101 - viii -
2. 터널미기압파관련 R&D 인프라현황 102 3. 터널미기압파관련전문가현황 105 5 절국내외기술수준분석 107 1. 터널미기압파환경소음 / 진동문제의관심 107 2. 신규고속철도의터널미기압파저감대책방향 107 3. 공기역학적성능평가도구에대한기술수준 112 6 절 SWOT 분석 120 1. 내부역량및외부환경 120 2. SWOT 분석 122 3. 미래시장대응전략 124 3 장경제성분석및사전타당성검토 125 1 절경제성분석 125 1. 경제성분석서언 125 2. 철도터널미기압파저감용차세대후드기술성평가 126 3. 미기압파저감용차세대후드경제성평가 149 4. 결론및향후방향 160 2절정책적타당성 162 3절기술적타당성및필요성 165 1. 기술개발필요성 165 2. 기술적타당성전문가평가 166 4 절정부지원타당성 168 1. 기술개발투자의시의성, 시급성 168 2. 국토부주도의개발및지원필요성 169 3. 정부미지원시문제점 170 4 장연구개발과제구성및추진전략 171 1 절비전및최종목표 171 1. 비전및최종목표 171 2. 단계별연구목표및내용 173 - ix -
2 절추진전략 176 1. 연구개발과제구성 176 2. 목표성과물 177 3. 주요내용및추진전략 178 4. Test-Bed 전략 185 5. 연차별기술로드맵 195 6. 성과의활용방안 197 7. 연구수행체계제안 199 3절소요예산산정 200 4절기존연구와의중복성검토및연계방안 203 5절기대효과 206 1. 기획연구결과의활용방안 206 2. 기대성과 206 5 장과제제안요구서 207 1 절과제제안요구서 (RFP) 207 1. 총괄 ( 주관기관 ) 제안요구서 (RFP) 207 2. 총괄제안요구서 (RFP) 의주요연구내용분류 211 6 장참고문헌 216 - x -
< 표목차 > 표 1.2.1 고속철도보유주요국가의터널미기압파허용기준및저감대책현황 3 표 1.2.2 세계각국의고속열차선두차량의투영단면적비교 7 표 2.1.1 기술분류 14 2.1.2 논문분석기준 14 표 2.1.3 논문검색조합식 15 표 2.1.4 주요피인용논문현황 17 표 2.1.5 3년內발표논문중피인용수높은논문 (Hot Paper) 현황 18 표 2.1.6 해석조건 25 표 2.1.7 해석조건 26 표 2.1.8 특허분석기준 33 표 2.1.9 특허검색조합식 33 표 2.1.10 주요핵심특허현황 ( 피인용수順 ) 41 표 2.1.11 주요핵심특허현황 42 표 2.2.1 2000년세계철도인프라시장규모 53 표 2.2.2 향후세계철도시장전망 ( 통일 ) 53 표 2.3.1 고속철도보유국의터널미기압파관련적용기준 68 표 2.3.2 철도설계기준 (2013. 12, 국토교통부 ) 68 표 2.3.3 터널설계기준 (2007, 건설교통부 ) 69 표 2.3.4 KR C-12010, 터널계획편 (2012.12.5.) 69 표 2.3.5 KR C-12080, 갱구부편 (2013.9.16.) 70 표 2.3.6 국외의터널미기압파허용기준설계적용사례 70 표 2.3.7 콘크리트궤도적용터널의폭발음발생사례 (1975년) 와비교로분석 / 평가 75 표 2.3.8 상업운행으로검증된국외설계사례에의한복선터널사양비교표 76 표 2.3.9 상업운행으로검증된국외사례에의한단선터널사양비교표 76 표 2.3.10 폭발음발생동영상터널에의한미기압파영향비교표 77 표 2.4.1 철도터널미기압파평가및저감대책관련연구기관 101 표 2.4.2 터널미기압파관련해외기관현황 102 표 2.4.3 터널미기압파관련전문가현황및활용분야 105 표 2.4.4 터널미기압파관련해외전문가현황 105 표 2.5.1 철도선진국의터널미기압파환경영향평가방법 109 표 2.5.2 각국의콘크리트궤도터널에대한미기압파저감대책적용현황 표 2.5.3 250km/h급고속철도에대한터널미기압파저감대책적용현황 111 표 2.5.4 격자형태별형상특성 115 표 2.5.4 국내에서이용가능한 KISTI의 HPC 118 표 3.1.1 고속열차운영국가들의터널미기압파저감대책실행현황 129 - xi -
표 3.1.2 해외철도운영국가들의후드적용현황 133 표 3.1.3 터널연장별미기압파허용기준초과진입속도비교 137 표 3.1.4 터널연장별미기압파허용기준초과진입속도비교 137 표 3.1.5 차세대후드설치시의저감효과비교 (KTX- 산천열차주행시 ) 138 표 3.1.6 차세대후드설치시의저감효과비교 (EMU-250 열차주행시 ) 139 표 3.1.7 차세대후드설치시의저감효과비교 (KTX- 산천열차주행시 ) 140 표 3.1.8 차세대후드설치시의저감효과비교 (EMU-250 열차주행시 ) 141 표 3.1.9 차세대후드설치시의저감효과비교 (KTX- 산천열차주행시 ) 142 표 3.1.10 차세대후드설치시의저감효과비교 (EMU-250 열차주행시 ) 144 표 3.1.11 터널미기압파허용기준만족진입속도비교 145 표 3.1.12 통풍관형후드와차세대후드의차이점 146 표 3.1.13 철도구축물부설현황 147 표 3.1.14 비용편익분석기법의특징비교 151 표 3.1.15 경제성평가분석기법별특징비교 152 표 3.1.16 주요고속철도선진국들의터널사양및미기압파저감대책적용현황 150 표 3.1.17 일본과한국터널의미기압파발생현황비교 153 표 3.1.18 비교대안단면적별건설비절감액비교 155 표 3.1.19 독일철도터널단면적대비대안단면적별총비용및절감액비교 156 표 3.1.20 터널최소단면적 (40m 2 ) 적용시 km 당절감액의가치비교 157 표 3.1.21 터널단면적별건설비절감액비교 158 표 3.2.1 철도사업표준공사비 163 표 3.3.1 기술적타당성분석평가항목 167 표 3.3.2 기술적타당성분석전문가평가결과 168 표 4.2.1 철도인프라성능및건설비최적화를위한기반기술개발사업성과지표 ( 안 ) 182 표 4.2.2 단선터널과복선터널의단면예시 186 표 4.2.3 단선터널의터널미기압파후드에대한예시 187 표 4.2.4 일반음압계와저주파음압계의특성비교 189 표 4.2.5 원주 - 강릉터널현황 194 표 5.1.1 연구과제별소요예산 200 표 5.1.2 연구과제별소요예산총괄표 202 - xii -
< 그림목차 > 그림 1.1.1 터널미기압파방사현상 1 그림 1.2.1 터널출구에서의미기압파방사현상및민가의환경피해 ( 폭발음 & 진동 ) 2 그림 1.2.2 일본도후쿠, 홋카이도신칸센의미기압파저감후드 4 그림 1.2.3 독일의터널미기압파저감후드 4 그림 1.2.4 프랑스의터널미기압파저감후드 5 그림 1.2.5 중국의터널미기압파저감후드 5 그림 1.2.6 국외고속철도에설치된터널미기압파저감후드비교 6 그림 1.2.7 호남고속철도의 400km/h급증속구간우산터널 ( 연장 320m) 의터널입구후드 (2013년 8월30일완공 ) 6 그림 1.2.8 한국형 고성능미기압파저감후드 원천기술 7 그림 1.2.9 세계각국의터널미기압파저감후드성능비교표 8 그림 1.2.10 터널에열차진입시압축파및미기압파의생성 9 그림 1.2.11 터널입구에서열차진입에의해생성된압축파전면형상 9 그림 2.1.1 연도별논문발표추이및주요등재저널 16 그림 2.1.2 논문발표주요국가 16 그림 2.1.3 논문발표주요저자 16 그림 2.1.4 논문발표주요연구기관 17 그림 2.1.5 핵심논문주요내용 (1) 21 그림 2.1.6 핵심논문주요내용 (2) 23 그림 2.1.7 핵심논문인용분석 (1) 24 그림 2.1.8 핵심논문인용분석 (2) 24 그림 2.1.9 해석결과 (1) 26 그림 2.1.10 해석결과 (2) 27 그림 2.1.11 해석결과 (3) 27 그림 2.1.12 분석방법 28 그림 2.1.13 해석결과 (4) 29 그림 2.1.14 해석결과 (5) 30 그림 2.1.15 해석결과 (6) 30 그림 2.1.16 해석모델링 31 그림 2.1.17 해석결과 (7) 32 그림 2.1.18 출원년도및국가별출원추이 34 그림 2.1.19 세부기술별특허출원동향 35 그림 2.1.20 주요출원인동향 35 그림 2.1.21 주요출원인연도별출원동향 36 그림 2.1.22 기술별 / 국가별기술분포 ( 버블형 ) 37 - xiii -
그림 2.1.23 국가별출원건수및시장확보지수 38 그림 2.1.24 국가별인용도지수 38 그림 2.1.25 국가별영향력지수및기술력지수 39 그림 2.1.26 특허등고선맵 40 그림 2.1.27 세부기술별특허등고선맵 41 그림 2.1.28 핵심특허 (US6216985B1) 평가결과 45 그림 2.1.29 TDA Cross-Correlation Map 46 그림 2.1.30 TDA Aduna Map 47 그림 2.1.31 TDA Co-occurence matrix (DWPI MANUAL CODES 비교 ) 48 그림 2.1.32 TDA Cross-correlation matrix 49 그림 2.2.1 국내터널현황 ( 철도산업정보센터기술자료 ) 55 그림 2.2.2 전국도로터널현황 (http://www.index.go.kr) 55 그림 2.2.4 전국철도터널현황 (http://www.molit.go.kr) 56 그림 2.2.5 호남고속철도터널개소대비터널연장비교 57 그림 2.2.6 연도별준공터널추이 57 그림 2.2.7 2010~2020 글로벌인프라투자 ( 지출 ) 현황 58 그림 2.2.8 Rail Market : Forecast Overview of Key Rail Parameters, Global, 2013 and 2020 59 그림 2.2.9 2010~2020 글로벌인프라투자 ( 지출 ) 현황 59 그림 2.2.10 2011~2020 고속철도인프라투자현황 60 그림 2.2.11 2012-2020년글로벌고속철도망인프라스트럭쳐현황 60 그림 2.2.12 미국터널및교량건설산업시장규모 61 그림 2.2.13 미국고속도로건설정부예산및비주택분야건설시장규모 61 그림 2.2.14 국외의터널입구미기압파저감후드 62 그림 2.2.15 일본의터널입구미기압파저감후드 63 그림 2.2.16 독일의터널입구미기압파저감후드 63 그림 2.3.1 국가철도망계획 (2011~2020) 66 그림 2.3.2 수송분담구조변화 ( 자료 : 국토해양부 ) 66 그림 2.3.3 데시벨과음압의관계와소리의크기 72 그림 2.3.4 터널미기압파주파수분석 : 초저주파성분 72 그림 2.3.5 터널미기압파계측위치 73 그림 2.3.6 터널미기압파현장시험사례 ( 호남고속철도회룡터널 ) 73 그림 2.3.7 터널미기압파환경영향평가해석프로그램의신뢰도검증사례 74 그림 2.3.8 대만고속철도터널입구후드 (2006년) 78 그림 2.3.9 중국일반철도송린바오 (Songlinbao) 터널갱구의미기압파저감후드 78 그림 2.3.10 중국양측 5개창문형후드 ( 京滬高鐵西渴馬一号隧道 ) 78 그림 2.3.11 중국상부 2개창문형후드 79 - xiv -
그림 2.3.12 중국상부 4개창문형후드 79 그림 2.3.13 중국단선병렬터널의상부통풍관형후드 79 그림 2.3.14 독일 Euerwang 터널의남쪽민가지역 80 그림 2.3.15 독일신선의 Euerwang 터널의벨마우스갱문 ( 남쪽갱구 ) 과터널갱구부근의 A9 도로 ( 갱문으로부터 50m 거리임 ) 81 그림 2.3.16 독일 ICE3 노선을위한슬롯형 터널미기압파저감후드 ( 독일 DLR) 81 그림 2.3.17 독일 ICE3 노선을위한 터널미기압파저감후드 성능평가열차주행시험기 ( 독일 DLR) 81 그림 2.3.18 독일 Katzenberg Tunnel( 연장 9.385 km) 의북쪽갱구에설치한슬롯형터널미기압파저감후드 82 그림 2.3.19 독일 Katzenberg Tunnel( 연장 9.385 km) 의북쪽갱구에설치된슬롯형터널미기압파저감후드 ( 후드길이 50m) 82 그림 2.3.20 독일 Katzenberg Tunnel( 연장 9.385 km) 의남쪽갱구에설치된슬롯형터널미기압파저감후드 83 그림 2.3.21 독일 Katzenberg Tunnel( 연장 9.385 km) 의전체개요도 84 그림 2.3.22 설계속도 250km/h 의독일 Rastatt Tunnel( 연장 4.270 km) 의갱구에설치되는슬롯형터널미기압파저감후드 ( 단선병렬터널내부 500m 마다횡갱 7개설치, 2013 년착공함 ) 85 그림 2.3.23 독일 Rastatt Tunnel( 연장 4.270 km) 의승객탈출용횡갱과방재대책 ( 터널내부 500m마다횡갱 7개설치, 2013년착공함 ) 86 그림 2.3.24 독일 Osterberg Tunnel( 연장 2.082 km) 의갱구에설치된슬롯형터널미기압파저감후드 ( 터널내부 400m마다횡갱 4개설치됨, 2015년개통예정 ) 86 그림 2.3.25 독일 Bibra Tunnel( 연장 6.466 km) 의갱구에설치된슬롯형터널미기압파저감후드 ( 터널내부 500m마다횡갱 13개설치됨, 2015년개통예정 ) 87 그림 2.3.26 독일 Fine Tunnel( 연장 6.970 km) 의갱구에설치된슬롯형터널미기압파저감후드 ( 터널내부 500m마다횡갱 13개설치됨, 2015년개통예정 ) 87 그림 2.3.27 독일 Bleßberg Tunnel( 연장 8.314 km, 외부연결사갱 8개소 ) 에설치된슬롯형터널미기압파저감후드 ( 터널내공단면적 92m 2, 2017년개통예정 ) 88 그림 2.3.28 독일 Silberberg Tunnel ( 연장 7.391 km, 외부연결사갱 8개소 ) 의갱구에설치된슬롯형터널미기압파저감후드 ( 터널내공적 92m 2, 2017년개통예정 ) 88 그림 2.3.29 Perthus 터널갱구의창문형미기압파저감후드상세모습 89 그림 2.3.30 프랑스미기압파저감후드 : 시계방향으로후드전면경사각모습, 후드내부에서의창문모습, 후드시공모습 89 그림 2.3.31 프랑스 Tartaiguille 터널, Roque-Rousse 터널등의터널입구후드 86 그림 2.3.32 일본산양신칸센의강재구조 ( 데크플레이트 ) 의터널입구후드 90 그림 2.3.33 일본큐슈신간센터널입구후드 (2011년): 콘크리트로시공한후드 90 그림 2.3.34 일본큐슈신칸센의창문형후드상세사양 : 콘크리트구조의터널입구후드도면 ( 치쿠시터널에설치, 창문형후드 ) 91 - xv -
그림 2.3.35 일본큐슈신칸센의창문형후드위치도 : 치쿠시터널에설치된터널입구후드위치도 ( 후드길이 : 24m) 92 그림 2.3.36 일본큐슈신칸센치쿠시터널의터널단면도 ( 직선복선터널 ) 92 그림 2.3.37 일본동북신간센의미기압파저감용터널입구 창문형후드 의상세사진 (1998년형으로추정됨 ) 93 그림 2.3.38 일본동북신칸센의제형터널입구후드의상세 (2009년형) 93 그림 2.3.39 일본도후쿠신칸센의 200m급터널의미기압파저감대책사례 ( 후쿠오카현 ) 94 그림 2.3.40 일본후쿠오카현니혼마쯔히라이시부근신칸센터널 ( 위성사진 ) 95 그림 2.3.41 일본후쿠오카현나카마시부근의신칸센터널 ( 위성사진 ) 95 그림 2.3.42 일본산양신칸센오히라야마터널 ( 연장 6.64 km, 콘크리트궤도 ) 에설치된장대터널용터널입구후드 ( 후드길이 49m) 96 그림 2.3.43 터널입구후드의효과 ( 후드길이 49m) 96 그림 2.3.44 일본신간선터널에서열차진입속도에따른미기압파최대값 ( 현장시험데이터, 터널출구중심으로부터 20 m 지점 ) 97 그림 2.3.45 호남고속철도우산터널의통풍관형후드 98 그림 2.3.46 터널미기압파측정전경 ( 회룡터널출구 20m에서의미기압파계측 ) 98 그림 2.3.46 호남고속철도회룡터널시점의계측시스템배치도 99 그림 2.3.47 열차진입속도에따른터널출구에서의미기압파피크값 (HEMU-430X, KTX-호남 )] 99 그림 2.4.1 독일 DLR의열차모델주행시험기 ( 최고속도 360km/h, 1:25 축척시험기 ) 102 그림 2.4.2 영국 MU의열차모델주행시험기 ( 최고속도 270km/h, 1:25 축척시험기 ) : 프랑스 SNCF와공동사용시험설비 103 그림 2.4.3 네덜란드 NLR의열차모델주행시험기 ( 최고속도 300km/h, 1:170 축척시험기 ) 103 그림 2.4.4 일본철도총합연구소의열차모델주행시험기 ( 최고속도420km/h, 1:60축척시험기 ) 103 그림 2.4.5 중국 CSU의열차모델주행시험기 ( 최고속도 400km/h, 1:18 축척시험기 ) 104 그림 2.4.6 한국철도기술연구원의열차모델주행시험기 ( 최고속도 1,060km/h, 1:61 축척시험기 ) 104 그림 2.5.1 STAR-CCM+ 해석결과예시 112 그림 2.5.2 STAR-CCM+ 해석결과예시 113 그림 2.5.3 유한체적법의개념 115 그림 2.5.4 Sliding Mesh의개념 116 그림 2.5.5 클러스터시스템개요 117 그림 3.1.1 미기압파저감용통풍관형후드 127 그림 3.1.2 우산터널미기압파후드적용사례 129 그림 3.1.3 일본산양신칸센의터널미기압파저감후드 130 - xvi -
그림 3.1.4 독일의터널에사용되는창문형후드 131 그림 3.1.5 프랑스의터널에사용되는창문형후드 131 그림 3.1.6 중국의터널에사용되는창문형후드 132 그림 3.1.7 대만고속철도의터널미기압파저감후드 133 그림 3.1.8 한국과일본의후드성능비교 134 그림 3.1.9 후드기술간의수준격차 135 그림 3.1.10 터널연장 1km 미만 ( 터널출구 20m, KTX-산천 ) 138 그림 3.1.11 터널연장 1km 미만 ( 터널출구 50m, KTX-산천 ) 138 그림 3.1.12 터널연장 1km 미만 ( 터널출구 20m, EMU-250) 139 그림 3.1.13 터널연장 1km 미만 ( 터널출구 50m, EMU-250) 140 그림 3.1.14 터널연장 3km( 터널출구 20m, KTX-산천 ) 141 그림 3.1.15 터널연장 3km( 터널출구 50m, KTX-산천 ) 141 그림 3.1.16 터널연장 3km( 터널출구 20m, EMU-250) 142 그림 3.1.17 터널연장 3km( 터널출구 50m, EMU-250) 142 그림 3.1.18 터널연장 7km( 터널출구 20m, KTX-산천 ) 143 그림 3.1.19 터널연장 7km( 터널출구 50m, KTX-산천 ) 143 그림 3.1.20 터널연장 7km( 터널출구 20m, EMU-250) 144 그림 3.1.21 터널연장 7km( 터널출구 50m, EMU-250) 144 그림 3.1.22 국내의연도별준공터널추이 148 그림 3.1.23 예정터널입구후드적용대상터널개소 148 그림 3.1.24 단선터널단면적별 Km당절감액비교 155 그림 3.1.25 단선터널건설 km당총비용및절감액비교 156 그림 3.1.26 복선터널단면적별 km 당절감액비교 157 그림 3.1.27 복선터널단면적별총절감액비교 158 그림 3.1.28 터널미기압파저감방법별공사비비교 159 그림 3.2.1 철도인프라분야별건설비비율 ( 호남고속철도 ) 164 그림 4.2.1 후드가설치되지않는터널의센서배치도 187 그림 4.2.2 후드가설치되는터널의센서배치도 188 그림 4.2.3 차압센서 188 그림 4.2.4 절대압센서 188 그림 4.2.5 외부기상관측장치 190 그림 4.2.6 센서네트워크의개념도 191 그림 4.2.7 웹기반모니터링시스템의예 188 그림 4.2.8 원주-강릉노선도 194 그림 4.2.9 준고속철도용터널미기압파저감대책실용화기술개발사업추진체계 199 - xvii -
1 장연구과제의개요 1 절터널미기압파저감대책기술의정의 그림 1.1.1 터널미기압파방사현상 고속열차가터널에진입할때압력파가생성되어터널의끝을향하여음속으로전파됨. 이러한압력파의일부분은충격성소음 / 진동의형태로터널출구로부터외부로방사되는데이를미기압파 (micro-pressure wave, sonic boom) 라고부르며, 터널근처의민가에서는폭발음의환경소음과함께심한저주파진동을느끼게됨. 고속철도에서터널단면적을매우크게적용하면미기압파문제를해결할수있으나터널건설비가매우크게증가됨. 터널미기압파를저감할수있는기술로는발라스트궤도를적용하는기술, 터널에수직갱이나사갱을적용하는기술, 터널내기재갱을이용하는기술, 고속열차전두부를미기압파저감형태로적용하는기술, 터널입 / 출구에미기압파저감후드 (hood, 완충공 ) 를설치하는기술등이있음. 열차하중과유지보수문제로궤도도상을발라스트궤도에서콘크리트궤도로바꾸고있는추세이며, 궤도도상에흡음블럭을적용하는문제는설치비와유지보수의어려움이있음. 터널내수직갱, 사갱, 기재갱등의활용은기존토목시설물의활용으로한계가있으며, 미기압파를저감시키기위하여추가적인수직갱이나사갱등의설치는비용적인문제에부딪히게됨. 고속열차전두부에의한미기압파저감은첫번째차량의운송효율문제로전두부의길이가 12m 내외로한정되어미기압파저감효과가최대 10%~15% 정도임. 비용적인측면과유지보수적인측면에서가장효율적인방법은터널갱문에터널미기 - 1 -
압파저감후드를적용하는기술로알려져있음 [1,2]. 2 절기획연구의배경및목적 1. 기획연구의배경및목적 그림 1.2.1 터널출구에서의미기압파방사현상및민가의환경피해 ( 폭발음 & 진동 ) 고속열차가터널에진입할때압력파가생성되어터널의끝을향하여음속으로전파됨. 이러한압력파의일부분은충격성소음 / 진동의형태로터널출구로부터외부로방사되는데이를미기압파 (micro-pressure wave) 라고부르며, 터널근처의민가에서는폭발음의환경소음과함께심한저주파진동을느끼게됨. 경부 / 호남고속철도는터널진입속도대비터널내공단면적이매우크기때문에 터널미기압파 라는폭발음발생이없으나, 최근국 내외터널설계는사업비축소, 유지관리효율성등을감안 200km/h 급이상신선에도콘크리트궤도공법을적용단면축소와고속화추세로터널미기압파대책마련시급 ( 국내콘크리트궤도적용시작은 2005년임 ). 일본, 독일, 중국등고속열차운영국들은 08년이후부터미기압파허용기준을마련건설단계부터저감시설을설계에반영 터널의미기압파발생은다양한변수를가지고있으며, 터널설계및엔지니어링단계에서이용되는수치해석기술로는미기압파를완벽하게예측하는것이불가능한실정임. 미기압파발생에대한변수를예측하기위해서는실제운행중인노선에대하여많은횟수의현장실측을통하여데이터를축적하고분석함으로서발생경향및변수에따르는종속인자를파악하는것이중요함. 이를위하여상시모니터링시스템이필요하며, 모니터링된데이터를활용하여불완전한해석기법을보완하여예측기술을완성할수있음. 또한운영중인터널에후드를설치하거나, 지형적으로불리한조건, 공사기간등을극 - 2 -
복하기위해서는후드구조체의설계및시공기술의개발이절실히요구됨. 이러한후드는내진및내풍, 내구성에대한고려가충분히이루어져야하나. 현재국내에는후드의시공기술관련특허등관련기초지식이부족한상태임. 따라서, 본기획연구를통하여미기압파저감예측기술및후드설계기술을확보하기위한방향을수립하여시급성을파악함으로서연구방향을도출하는것이필요함. 표 1.2.1 고속철도보유주요국가의터널미기압파허용기준및저감대책현황 구분경부고속호남고속중앙선일본독일중국 터널단면적 (m ² ) 107( 복선 ) 96.7( 복선 ) 66( 복선 ) 40( 단선 ) 63.4~66( 복선 ) 62( 단선 ) 48.6( 단선 ) 운행속도 (km/h) 300 300 250 245~260 250 200 허용기준없음없음없음있음있음있음 미기압파저감시설설치 없음없음없음있음있음있음 터널입구미기압파저감후드 는최소터널단면적과콘크리트궤도를제일먼저적용한일본신칸센철도에서 1975년이후에지속적으로연구개발하여, 현재독일, 프랑스등의유럽과중국등은일본에서개발한 창문형후드 를사용하고있음. 일본의미기압파저감후드는 35년동안의연구개발및개량으로지적재산권상에서그동안독점적지위에있었음. 국민의윤택한삶을위해터널출구부근민가의폭발음과같은충격성소음 / 진동억제가중요함. - 3 -
그림 1.2.2 일본도후쿠, 홋카이도신칸센의미기압파저감후드 그림 1.2.3 독일의터널미기압파저감후드 독일은 2006 년도의 Nuremberg-Ingolstadt 신선에서콘크리트궤도인터널에서미기압 파문제의심각성을인식하고, ICE 신선에적용할터널미기압파저감후드를개발선 정하기시작하였음. - 4 -
그림 1.2.4 프랑스의터널미기압파저감후드 프랑스와스페인국경에위치한 Perthus 터널은연장이 8.3km이고 2010년 12월에상업운행을시작하였음. Perthus 터널은콘크리트궤도을적용한단선병렬터널이고, 여객열차와화물열차혼용노선임. Perthus 터널의양쪽갱구에는 창문형의미기압파저감후드 를각각 2개소씩설치하였음. 프랑스는국토의대부분이평야지대이지만국경근처의산악지대철도터널에는터널내공단면적최적화와더불어, 터널출구미기압파를저감시키기위하여터널입구후드를적용하고있음. 그림 1.2.5 중국의터널미기압파저감후드 중국의최고속도 200km/h 의일반철도신선에설치된터널미기압파저감후드는일본신칸센의창문형후드를설치하였음. 200km/h 급신선과 300km/h 급신선에터널미기압파저감후드를광범위하게적용하였음. 200km/h 급노선으로터널입구후드가설치된송린바오 (Songlinbao) 터널은단선터널 ( 내공단면적 48m 2 ) 이며, 터널진입속도가 160km/h 임. 송린바오터널등이있는 수이유고속철도 ( 遂渝高速铁路 ) 는 200km/h 급노선이며, 우리나라동해선, 중부내륙철도의터널내공단면적 40m 2 보다큰 48m 2 로설 - 5 -
계되어상업운행되고있음. 즉, 우리나라동해선, 중부내륙철도는더열약한설계조건 이이기때문에터널미기압파저감후드의설치가필요하지만반영되지않고있음 ( 환경 영향평가결과도설치필요 ). 그림 1.2.6 국외고속철도에설치된터널미기압파저감후드비교 호남고속철도 400km/h급증속구간인우산터널시점에 한국형터널미기압파저감후드 를한국철도기술연구원에서기술이전설치완료하였음 (2013년 8월20일완공 ). 1999년도에철도기술연구원에서원천기술개발하여국내특허등록된한국형통풍관형후드는국내특허만출원하여기술수출이불가능함. 그림 1.2.7 호남고속철도의 400km/h급증속구간우산터널 ( 연장 320m) 의터널입구후드 (2013년 8월30일완공 ) 운행속도 200km/h 이상의고속철도에서터널미기압파저감후드대책은시공비가저렴하며, 궁극적으로최적설계의터널단면적에서적용되기때문에최선의터널건설비절감방법임. - 6 -
표 1.2.2 세계각국의고속열차선두차량의투영단면적비교 열차종류 영업최고속도 이층열차여부 선두차량투영단면적 (m²) 추진방식 KTX 300km/h Single Level 9.87 동력집중식 KTX- 산천 300km/h Single Level 9.64 ( 동력차후미 10) 동력집중식 KTX-III (HEMU-430X) 370km/h Single Level 11.87 동력분산식 EMU-250(EMU-200) 250km/h Single Level 11.48 ~ 11.87 동력분산식 신칸센 300 계 270km/h Single Level 11.40 동력분산식 신칸센 500 계 300km/h Single Level 10.20 동력분산식 신칸센 N700 계 260km/h Single Level 10.97 동력분산식 독일 ICE 3 330km/h Single Level 10.40 동력분산식 프랑스 AGV 360km/h Single Level 10.50 동력분산식 세계각국고속열차선두차량의투영단면적을비교하여도국내차량이터널미기압파저감에유리한상황이아님 ( 터널단면적대비차량단면적비율이중요함 ). 한국철도기술연구원에서 2013년후반기 ~ 2014년전반기 에개발한고효율차세대터널미기압파저감원천기술개발결과물은다음과같은연구목표로개발되었음. Ÿ 원천기술의 250km/h급신규터널미기압파저감후드개발 Ÿ 고속철도터널공기역학엔지니어링기술수출목표 Ÿ 표준형후드크기에서미기압파저감성능 65% 이상 ( 세계최고성능 ) 그림 1.2.8 한국형 고성능미기압파저감후드 원천기술 - 7 -
차세대미기압파저감후드 의성능 (2013 후반기 ~ 2014 전반기 ) Ÿ 고효율차세대터널미기압파저감원천기술개발완료 그림 1.2.9 세계각국의터널미기압파저감후드성능비교표 작은터널내공단면적과콘크리트슬라브궤도에서고속철도운행의가장큰장애요인중에하나인터널미기압파에대한실용화대책기술확보연구기획 현재설계중인중앙선, 중부내륙철도, 동해선철도건설과건설중인원주-강릉신선등의터널미기압파충격성소음 / 진동환경문제를해결하고자함 (100개소이상 ) 기수행된원천기술기초연구 고성능차세대터널미기압파저감대책원천기술개발 (2014년 ) 을통해개발된한국형신규후드의실용화기술개발에대한기획 한국형신규후드인 열차진행방향에평행한덕트를포함하는후드, 아치형슬릿후드 날개형후드 의 3종후드에대하여국내기술력과환경을고려하여실용화기술개발기획 고속철도터널미기압파저감대책적용으로터널내공단면적을작게할수있으므로철도터널건설비절감됨 터널내공단면적 20% 이상축소효과 터널건설비 15% ~ 10% 절감 2. 터널미기압파의이론적배경 열차가고속으로터널에진입할때압축파가열차앞에생성되고터널을통하여전파된 다. 터널출구에서압축파는팽창파로서터널입구쪽으로즉뒤로반사된다. 이팽창파 - 8 -
는열차안에있는승객에게귀울림현상 ( 이명감, ear discomfort) 을야기한다. 동시에미기압파라고불리는충격성 (impulsive) 압축파는터널출구바깥주변으로방사되는데이것은환경소음및진동문제를야기한다. 이현상은주변민가에급작스러운폭발음과민가의문과창문틀에급작스러운흔들림으로나타난다 [1]. 미기압파의현상은다음과같이 3단계로발생된다 ( 그림 1.2.10 참조 ). 단계 (1) 단계 (2) 단계 (3) 열차의터널진입에의한압력파의형성 압력파의터널내부에전파와함께압력파형의변형 터널출구로부터의미기압파의방사 미기압파 압축파 그림 1.2.10 터널에열차진입시압축파및미기압파의생성 압력 DP Dt 시간 그림 1.2.11 터널입구에서열차진입에의해생성된압축파전면형상 터널에열차가진입하면터널내에서는압축파가발생하는데이압축파의시간에대한기울기 ( 압력구배 ) 가가파르면가파를수록터널출구에서발생되는미기압파의강도는크게된다 ( 그림 1.2.11 참조 ). 이압력구배를낮출수있는가장효과적인대책이현재로서는터널입구후드대책이다 [2]. 미기압파의특성을이해하기위해서는첫번째로단계 (3) 을이해하는것이용이하다. 그림 1.2.10에서와같이터널출구에서부터방사되어진터널미기압파의크기 P는저주파 - 9 -
遠方場 (far-field) 근사에의해서, 터널출구에도달한압축파의파면의압력변동 (dp/dt) exit 에거의비례하고, 갱구 ( 터널출구 ) 에서부터거리 r 에반비례하며, 갱구의지형즉, 입체 각 Ω 에의존한다 [2]. Ω (1) 여기서, A S : 일본신간선터널단면적, c : 음속, p : 터널내공기압력, t : 시간, [ ] 는 t - r/c 에서의값을나타낸다. 식 (1) 를이용하여일본신간선터널의미기압파최대값 P MAX 는 식 (2) 로표현된다. Ω (2) 여기서, (dp/dt) exit, MAX 는터널출구에서압축파파면의압력구배최대값이다. 식 (2) 는첫째, 미기압파의최대값은터널출구에서압축파파면의최대압력구배에비례한다. 둘째, 미기압파의최대값은터널출구로부터의거리에반비례한다. 셋째, 미기압파의최대값은무지향특성을보인다. 터널출구의지형환경에따라입체각 (solid angle) Ω는달라진다. 일본신칸센터널에서는 Ω=2.3을사용한다. 터널에진입하는열차에의해서발생되는압력파의파형은열차단면적, 터널단면적, 열차전두부의형상, 터널입구의형상, 열차속도에의존된다. 단계 (1) 에대해서터널입구에서열차에의해서생성된압력상승 는다음식으로표현될수있다 [2]. (3) 그리고, 압력상승 Δ 에대한시간간격 는 d/v 에비례하는것으로간주한다 ( 여기서 d 는 터널의수력직경 ). 따라서 (dp/dt) ent, MAX 는식 (4) 로표현될수있다. 열차의터널진입시, 터널입구에대한압력파파면의최대압력구배는다음과같다 [2]. (4) - 10 -
단 V : 열차속도, R : 터널단면적에대한열차단면적의비, k : 압력상승에관한매개변수, d : 터널의수력직경 (= 4A/S, S : 터널원주길이 ), r : 공기의밀도이다. 여기서 k는열차전두부의형상과터널입구에의존하는압력상승에대한시간간격을나타내는매개변수이다. 이값은현차시험이나모형실험, 컴퓨터시뮬레이션으로구한다. 식 (4) 는단순화된방정식이지만터널에대한열차의단면적비율의영향과터널에들어가는열차의속도향상을설정하는데유용하다. 터널입구가까이에서열차에의해생성된압축파압력구배는모형실험이나컴퓨터시뮬레이션으로상세하게구한다. 압축파의생성은 1차원현상으로간주되므로축대칭열차모델에의한모형실험, 컴퓨터시뮬레이션은유용하다. 단계 (2) 에대해서, 터널에서압축파의파면은전파하는동안에변형된다. 터널이짧은경우에는, 터널내를전파하는압축파는변형이거의없기때문에, 터널출구에서의최대압력구배 ((dp/dt)exit) 는다음과같다. (5) 장대터널의경우에는궤도종류에따라서영향을받기때문에, 발라스트궤도의경우에는식 (5) 가식 (6) 과같이되어, 미기압파 P 는짧은터널에비해서작아진다. (6) 장대터널의슬라브궤도의경우에는식 (7) 과같으며, 미기압파 P 는짧은터널에비해서 커진다. (7) 열차의터널진입에서초기의최대압력구배는터널에들어가는열차의각각의속도에의 존한다. (1) 짧은터널 ( 예 : 길이 1.5 km 이하 ) 에서는, 미기압파의최대치와열차속도의관계가 V 3 에 - 11 -
비례한다. (2) 장대터널에서는슬라브궤도에의해파면의앞쪽면이수직이되기때문에미기압파가 상당히커진다. 3 절기획연구의범위및내용 1. 연구범위 기획연구의범위는원천기술기초연구 고성능차세대터널미기압파저감대책원천기술개발 (2014년 ) 를통해개발된한국형신규후드의실용화기술개발에대한기획이며, 한국형신규후드는 열차진행방향에평행한덕트를포함하는후드, 아치형슬릿후드 날개형후드 의 3종후드에대하여국내기술력과환경을고려하여실용화기술개발기획을하고자함. 터널미기압파저감후드의원천기술실용화기술개발기획 Ÿ 일본, 독일, 프랑스등선진국의향후기술동향조사및분석 Ÿ 터널미기압파저감대책이터널건설비건전화에미치는경제성평가 Ÿ 고효율후드의공기역학적성능평가기법 Ÿ 터널미기압파환경영향평가의상용화 S/W Ÿ 실용화를위한터널주행열차모델주행시험에의한최적설계 Ÿ 국내외현장시험데이터분석및경험상수도출 Ÿ 3차원전산유체해석기법을이용한고효율후드구조체의공기역학적성능평가방법개발을위한기획 Ÿ 국내철도터널갱문형식및외부지형환경에대한미기압파민감도분석 / 평가 Ÿ 고속철도운행에서터널미기압파관련법제도및하위규정의개선사항도출및법제화방안마련 친환경고효율터널미기압파저감후드구조설계 / 시공기술기획 Ÿ 콘크리트후드와강구조후드의구조적안정성평가 Ÿ 터널입구후드의교량설치구조설계향상기술 Ÿ 주변환경과어울리는후드스타일링산업디자인적용및평가 Ÿ 후드구조의열차주행진동및내진성능평가 Ÿ 건설비효율화를위한저비용설계 / 시공기술 Ÿ 운행중인철도노선에서의후드의저비용설치방법 개발기술의성능과안정성확보를위한실증시험기획 Ÿ 본선시험부설 TEST-BED 구축방안 - 12 -
Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 본선 TEST-BED에원격모니터링시스템설계및구축시작품제작시공 ( 현장시험부설 ) 및현장시험시험평가방안제시본선 TEST-BED 현장시험수행및 Big Data 처리및분석환경영향평가를위한현장시험데이터뱅크구축및평가 S/W에피드백 2. 연구내용 기술개발동향및수요조사실시 Ÿ 기술개발동향및환경분석 국내외정책 시장 기술동향분석 국내외기술개발현황및국내기술인프라 기술인력현황분석 개발기술의경제성분석 Ÿ 기술수요및기술예측조사실시 Ÿ 동향분석결과를바탕으로기술개발추진방향정립 (SWOT 분석등 ) 기술개발전략수립및연구내용설정 Ÿ 기술개발전략수립 Ÿ 연구개발후보과제우선순위도출 Ÿ 과제추진체계 ( 연구단, 일반과제등 ) 설정 Ÿ 연구개발후보과제별과제카드작성 연구개발과제기획 Ÿ 연구목표및범위설정 목표및연구범위설정 ( 세계최고, 국내최초수준으로달성가능한목표제시 ) - 세부과제 ( 핵심요소기술 ) 도출및연구내용설정 - 세부과제연차별 단계별성과목표 ( 정량적, 정성적 ) 와성과지표 ( 필수지표포함 ) 설정및성과맵제시 Ÿ 연구목표달성을위한추진방안수립 기존기술 인프라등의활용및연계방안수립 컨소시엄형태등최적연구추진체계제안 Ÿ 성과물에대한활용방안및실용화추진방안제시 성과분석및검증방안제시 제도 정책활용, 현장적용, 시작품제작및시범사업등구체적인실용화방안제시 Ÿ 인력투입계획및소요예산산정 Ÿ 사전타당성검토 Ÿ 관련법제도및하위규정의개선사항도출및법제화방안마련 Ÿ 과제공모를위한 RFP 작성및평가기준설정 - 13 -
2 장환경분석및대응전략 1 절기술동향분석 1. 기술분류 표 2.1.1 기술분류 대분류 ( 영문 ) 중분류, 소분류 ( 영문 ) 키워드 ( 영문 ) 터널미기압파저감대책기술 (technologies for reduction measures of micro-pressur e wave radiating from tunnel exit) 1. 철도터널미기압파기술 2. 철도터널흡음 / 방음기술 3. TEST BED 의원격모니터링시스템설계 터널, tunnel, 철도, 고속철도, rail, railway, 열차, 기차, train, 미기압, 미기압파, micropressure, micro-pressure, 압력파, 압축파, 풍압, 바람, (wind) pressure wave, compression wave, compressive wave, 소닉, sonic, 붐, boom, 격벽, partition, 충격, bang, shock, impact, 진동, vibration, 소음, 노이즈, noise, 완충, 완화, 경감, 저감, 흡수, buffer, reduce, decrease, absorption, 후드, hood, 입구, entrance, 통풍, 통공, 완충공, hole, 에어샤프트, air shaft, 창, 창문, window, 슬릿, slit, 덕트, duct, 멤브레인, 막, membrane, 사갱, side branch, 열차주행시험기, moving model rig, tunnel rubbing simulator, 압력경감샤프트, Pressure relief shafts, 열차전두부형상, train nose shape, 터널충격흡수, tunnel Shock absorbing, tunnel shock absorber, 터널충격흡수구조, tunnel shock absorbing construction, 소닉붐구조, sonic boom structure, 터널경감, tunnel buffer, 터널후드, Tunnel hood 방음궤도, 방음매트, 흡음블럭, 방음블럭, mat for sound proofing, track sound absorber, sound absorption block, sound absorption block, acouctical louver, absorber of track bed Test-Bed 계측시스템, 중앙원격모니터링시스템 Measurement system of test Bed, (Remote control monitering system of measurements 2. 국내외논문분석 가. 논문분석범위 2.1.2 논문분석기준 분 분석기준 DB Web of Science, Thomson Innovation 분석구간 1990.01.01.~2014.11.28. 검색범위 Title, Abstract - 14 -
나. 기술분류및검색조합식 A 기술 ( 철도터널미기압파 ) B 기술 ( 철도터널흡음 / 방음기술 ) C 기술 (TEST BED 의원격모니터링시스템설계 ) 표 2.1.3 논문검색조합식 검색조합식 ALL=(tunnel) AND ALL=((micro*pressur* or (sonic near2 boom) or (moving and model and rig) or hood or (shock near absorb*) or air*shaft or (compress* near2 wave) or (micro* near2 pressur*) or ((wind* or air) near2 (pressur* or wave*)))) AND ALL=((railway or railroad or locomotive or train*1 or (rail near2 (car or vehicle)) or transit or tram or (rolling adj stock) )); (ALL=(tunnel) AND ALL=((railway or railroad or locomotive or train*1 or (rail near2 (car or vehicle)) or transit or tram or (rolling adj stock)))) AND (ALL=((noise or sound or acoustic*) and (proof* or absorb* or absorpt* or louver or mat) )); (TI=(tunnel or track) AND ALL=((railway or railroad or locomotive or train*1 or (rail near2 (car or vehicle)) or transit or tram or (rolling adj stock)))) AND (TI=((monitor* or measur* or detect* or meter* or estimat* or evaluat* or apprais* or assess* or gaug* or check or sens*))); 검색논문 관련논문 116 81 5 3 176 75 다. 미기압파저감후드분야논문기술동향 (1) 연도별논문발표추이및주요등재저널동향 터널미기압파저감후드분야논문추이를살펴보면, 1990년부터현재까지총 159건의관련논문이발표되고있으며, 일부증감이있지만대체적으로 1990년대후반부터증가하는추세를나타내고있음. 철도터널미기압파기술 (A기술) 분야의논문이많이발표되고있으며, 저널별로는 ACADEMIC PRESS LTD ELSEVIER SCIENCE LTD, PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD, LSEVIER SCI LTD, PROFESSIONAL ENGINEERING PUBLISHING LTD 등유럽, 미국의저널에서많은논문이발표되고있음. - 15 -
그림 2.1.1 연도별논문발표추이및주요등재저널 (2) 국가별, 주요연구기관, 주요저자분석 터널미기압파저감후드분야논문은특허와달리유럽의기관에서많이발표 (40%) 되고있으며, 한국도약간의논문실적이발표 (8%) 되고있는상황임. 또한, 논문발표주요저자를살펴보면, Howe, MS 교수 ( 미국 Boston Univ) 가 21건으로가장많이발표한것으로나타남. 2.1.2 논문발표주요국가 2.1.3 논문발표주요저자 이분야최다연구기관은미국 Boston Univ 가 24 건의논문으로가장발표가많고, 다 음으로일본의 RTRI(Railway Technology Research Institute) 로 8 건의논문을발표하 고있어해당분야를선도하고있음을알수있음. - 16 -
그림 2.1.4 논문발표주요연구기관 (3) 주요핵심논문분석 (3-1) 주요핵심논문현황 고속철도에서의철도차량 -궤도-노반의지반진동의상관관계및측정연구와관련된 Auersch, L ( 독일 Bundesanstalt Mat Forsch & Prufung) 의논문이피인용 79건으로가장많음. 기타소음저감 (Noise Control) 등과관련된논문이피인용수가높은것으로보아관련내용이핵심연구분야임을알수있음. 표 2.1.4 주요피인용논문현황 논문제목저널명발표년도피인용수 1 The excitation of ground vibration by rail traffic: theory of vehicle-track-soil interaction and measurements on high-speed lines ACADEMIC PRESS LTD ELSEVIER SCIENCE LTD 2005 79 2 Aerodynamics of high-speed railway train PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD 2002 69 3 Theoretical and experimental investigation of the compression wave generated by a train entering a tunnel with a flared portal CAMBRIDGE UNIV PRESS 2000 33 4 TRACK DYNAMIC BEHAVIOR AT HIGH-FREQUENCIES.1. THEORETICAL-MODELS AND LABORATORY SWETS ZEITLINGER BV 1995 33-17 -
논문제목저널명발표년도피인용수 MEASUREMENTS 5 Numerical investigation of three-dimensional compressible flows induced by a train moving into a tunnel PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD 1997 32 6 The compression wave produced by a high-speed train entering a tunnel ROYAL SOC 1998 31 7 Composite real-time image processing for railways track profile measurement IEEE-INST ELECTRICAL ELECTRONICS ENGINEERS INC 2000 31 8 Impulse noise and its control PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD 1998 24 9 Fault detection and diagnosis for railway track circuits using neuro-fuzzy systems PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD 2008 23 10 Acoustic resonances and trapped modes in pipes and tunnels CAMBRIDGE UNIV PRESS 2008 19 최근 3 년內발표논문중피인용수가높은논문 (Hot Paper) 을보면피인용이높은논 문과마찬가지로철도궤도에서의진동측정 (measurement) 에관한연구내용이주로발 표되고있어관련분야연구가최근주목받고있는분야임을알수있음. 표 2.1.5 3 년內발표논문중피인용수높은논문 (Hot Paper) 현황 번호논문제목저널명발표년도피인용수 1 Field Assessment of the Performance of a Ballasted Rail Track with and without Geosynthetics ASCE-AMER SOC CIVIL ENGINEERS 2010 16 2 3 4 5 Measurement of Distributed Antenna Systems at 2.4 GHz in a Realistic Subway Tunnel Environment Track-ground vibrations induced by railway traffic: In-situ measurements and validation of a 2.5D FEM-BEM model Optimal cross-sectional area distribution of a high-speed train nose to minimize the tunnel micro-pressure wave Timetabling optimization of a single railway track line with sensitivity analysis IEEE-INST ELECTRICAL ELECTRONICS ENGINEERS INC 2012 14 ELSEVIER SCI LTD 2012 11 SPRINGER 2010 8 SPRINGER 2009 6 6 A delay estimation technique for single and double-track railroads PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD 2010 5-18 -
번호논문제목저널명발표년도피인용수 7 Field monitoring on the train-induced vibration response of track structure in the Beiluhe permafrost region along Qinghai-Tibet railway in China ELSEVIER SCIENCE BV 2010 5 8 Theoretical and experimental excitation force spectra for railway-induced ground vibration: vehicle-track-soil interaction, irregularities and soil measurements TAYLOR & FRANCIS LTD 2010 5 9 Development of track condition assessment model based on visual inspection TAYLOR & FRANCIS LTD 2011 4 10 Evaluation of conventional methods in Analysis and Design of Railway Track System IRAN UNIV SCI & TECHNOL 2010 4 (3-2) 주요핵심논문심층분석 ( 사례 ) ( 가 ) SCI 논문 : Field Assessment of the Performance of a Ballasted Rail Track with and without Geosynthetics 저널명 : JOURNAL OF GEOTECHNICAL AND GEOENVIRONMENTAL ENGINEERING 저자 : Indraratna, Buddhima; Nimbalkar, Sanjay; Christie, David; Rujikiatkamjorn, Cholachat; Vinod, Jayan 기관 : Univ Wollongong, Fac Engn, Wollongong, NSW 2522, Australia. 출판사 : ASCE-AMER SOC CIVIL ENGINEERS, 1801 ALEXANDER BELL DR, RESTON, VA 20191-4400 USA 주요내용 : 본연구결과는토성합성재료 (Geosynthetics) 여부에따른자갈궤도상의성능을측정하는연구에관한논문임 Ÿ 초록 : Understanding the complex mechanisms of stress transfer and strain accumulation in layers of track substructure under repeated wheel loading is essential to predict the desirable track maintenance cycle as well as the design of the new track. Various finite element and analytical techniques have been developed in the past to understand the behavior of composite track layers subjected to repeated wheel loads. The mechanical behavior of ballast is influenced by several factors, including the track confining pressure, type of aggregates, and the number of loading cycles. A field trial was conducted on an instrumented track at Bulli, New South Wales, Australia, with the specific aims of studying the benefits of a geocomposite installed at the ballast-capping interface, and to evaluate the performance of - 19 -
moderately graded recycled ballast in comparison to traditionally very uniform fresh ballast. It was found that recycled ballast can be effectively reused if reinforced with a geocomposite. It was also found that geocomposite can effectively reduce vertical and lateral strains of the ballast with obvious implications for improved track stability and reduced maintenance costs. - 20 -
Fig. 1. (a) Details of instrumented track at Bulli; (b) section of ballasted track bed; and (c) section of ballasted track bed with geocomposite layer at the ballast-capping interface Fig. 2. Particle-size distribution of ballast and capping materials Fig. 3. (a) Longitudinal section of instrumented track at Bulli (b) EFCP test record at center of Section 2 (c) EFCP test record at center of Section 4 Fig. 4. Schematic diagram showing installation of: (a) settlement pegs and displacement transducers; (b) vertical and horizontal pressure cells 그림 2.1.5 핵심논문주요내용 (1) ( 나 ) SCI 논문 : Measurement of Distributed Antenna Systems at 2.4 GHz in a Realistic Subway Tunnel Environment 저널명 : IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY 저자 : Guan, Ke; Zhong, Zhangdui; Alonso, Jose; Briso-Rodriguez, Cesar 기관 : Beijing Jiaotong Univ, State Key Lab Rail Traff Control & Safety, Beijing 100044, Peoples R China. 출판사 : IEEE-INST ELECTRICAL ELECTRONICS ENGINEERS INC, 445 HOES LANE, PISCATAWAY, NJ 08855-4141 USA - 21 -
주요내용 : 본연구결과는도시철도터널환경에서의 2.4GHz 대의분산안테나시스템 (distributed antenna systems; DAS) 에대한측정관한논문임 Ÿ 초록 : Accurate characterization of the radio channel in tunnels is of great importance for new signaling and train control communications systems. To model this environment, measurements have been taken at 2.4 GHz in a real environment in Madrid subway. The measurements were carried out with four base station transmitters installed in a 2-km tunnel and using a mobile receiver installed on a standard train. First, with an optimum antenna configuration, all the propagation characteristics of a complex subway environment, including near shadowing, path loss, shadow fading, fast fading, level crossing rate (LCR), and average fade duration (AFD), have been measured and computed. Thereafter, comparisons of propagation characteristics in a double-track tunnel (9.8-m width) and a single-track tunnel (4.8-m width) have been made. Finally, all the measurement results have been shown in a complete table for accurate statistical modeling. - 22 -
Fig. 1. (a) Classical arched tunnel used in measurements. (b) Schema of the on-train receiving antenna's position. (c) Skeleton map of the tunnel: Tribunal-Príncipe Pío. Fig. 2. (a) Test transmitter installed on the tunnel. (b) Antennas' configuration in the cabin of the train. (c) Block diagram of the test transmitter. (d) Antenna patterns. Fig. 3. Received power in the tunnel with four transmitters and a description of different regions. 그림 2.1.6 핵심논문주요내용 (2) (3-3) 주요핵심논문인용분석 < 지표설명 > 1. 평균인용수는세트의모든항목에대해평균인용논문수를계산하는간단한공식으로인용횟수합계를찾은검색결과수로나눈값임. ( 예 : 인용횟수합계 : 967 / 찾은검색결과 : 55 = 17.58) 2. h-index* 는인용횟수를기준으로내림차순으로순위지정된출판물목록을기반으로하고있어 h-index가 20이면인용이 20건이상인항목이 20개가있음을의미하므로이지표는인용횟수가아주많은논문이나인용된적이없는논문의불균형비중을줄이기때문에유용논문이용을신뢰성있게파악할수있음 h-index 는 J.E. Hirsch가개발하여 2005년 11월 15일자 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 102 (46): 16569-16572 에발표 ( 가 ) 주요핵심논문인 Field Assessment of the Performance of a Ballasted Rail Track with and without Geosynthetics 는색인 SCI-EXPANDED 를포함하여인 - 23 -
용건수 16 건으로 2014 년현재까지인용횟수합계 16 건으로최근 5 년간연간평균 인용수 3.20 건에달하고, 또한자기인용을제외한인용논문합계 16 건으로항목 당평균인용수 16, h-index 는 1 에달함. 그림 2.1.7 핵심논문인용분석 (1) ( 나 ) 두번째주요핵심논문인 Measurement of Distributed Antenna Systems at 2.4 GHz in a Realistic Subway Tunnel Environment 는색인 SCI-EXPANDED를포함하여인용건수 14건으로 2014년현재까지인용횟수합계 14건으로최근 5년간연간평균인용수 4.67건에달하고, 또한자기인용을제외한인용논문합계 14건으로항목당평균인용수 14.00, h-index는 1에달함. 그림 2.1.8 핵심논문인용분석 (2) 라. 열차의고속주행시철도터널내공기압특성에관한해석연구논문 국내외문헌조사를통하여철도터널의공기압특성에대하여전산유체역학해석을통하여분석한사례를수집함. 해석적연구에사용되는도구는연구자가자체개발한 In-house code와범용해석프로그램이있는데, 자체개발코드가상대적으로드물고, 상세한방법을파악하기가어려워본연구에서는범용코드를이용한방법론을중심으로연구사례를분석함. - 24 -
고속주행시철도터널내공기압특성에관한기초연구사례 Ÿ 문헌출처 : 김효규외 2인, 고속주행시철도터널내공기압특성에관한기초연구, 한국터널지하공간학회, 2014 Ÿ ANSYS사의상용코드인 FLUENT를이용한사례를먼저살펴보기로함. 본문헌은, 2차원축대칭모델 (2D Axisymmetric Model) 에기반하였고, 시간을종속변수로하는비정상상태해석을수행함. 또한비점성 (inviscid) 특성으로해석함. 본문헌에서는열차의움직임을모사하지않고 Matsuo(1997) 이제시한입구압축파파형을다음의수식에의하여입력하고터널내부를해석함. Ÿ 시뮬레이션수행결과와 Schulwald 터널에서의압력기울기측정결과비교하여신뢰성을검토하였으며, 압력기울기값을비교한결과평균편차가 6.1% 으로공학적인오차크지않음을도출함. Ÿ 해석가정조건은아래의표와같이제시함. 표 2.1.6 해석조건 적용 터널 연장 200~8000m 단면적 90.3 m2 / 95.1 m2 / 100.1 m2 열차 주행방향 열차속도 열차단면적 일방향 300km/h, 350km/h 9.765 m2-25 -
그림 2.1.9 해석결과 (1) Ÿ 2차원해석방법을이용한분석으로실제열차거동을모사하지않고실험식을이용하여입구압력파의파형을경계조건으로적용하여분석을수행하여, 터널내압력파의전파에따른압력파기울기특성을전산유체해석기법을이용하여분석을수행하였으며분석결과를실측결과와비교하여모델의신뢰성을검증함. 열차가터널에진입할때발생하는압축파에대한수치해석 Ÿ 문헌출처 : 김사량, 열차가터널에진입할때발생하는압축파에대한수치해석, 대한설비공학회논문집, 2006 Ÿ CD-Adapco사의상용코드인 STAR-CD를이용하여해석하였으며, 터널단면을원형으로가정하여 2차원축대칭모델 (2D Axisymmetric Model) 을적용하였으며, 온도변화를무시한비정상상태점성압축성유동, k-e난류모델을적용함. Ÿ 터널에서일정거리만큼떨어져정지해있던열차가주행속도까지가속하여터널에진입할때터널입구부에서생기는압력파에대하여, 수치계산시의초기조건의영향을검토하였고, 열차의출발방법 ( 급출발, 선형, 속도증가 (3차, 5차, 7차 )) 에따른터널입구부에서생성되는압력파에미치는영향을분석함. 표 2.1.7 해석조건 열차단면적 열차길이 터널연장 열차주행속도 107m2 8.9m2 100m 430m 350km/h - 26 -
그림 2.1.10 해석결과 (2) Ÿ Ÿ 해석결과로수치해석초기열차의거동특성 ( 이동속도 ) 에따라열차주변에서발생되는압력장의특성이다르게나타나며이러한영향은열차가터널에진입할때발생하는압력파의특성에영향을주는것으로검토됨. 분석시열차형상을모델링하여열차의거동특성을 Dynamic Mesh 방법을이용하여검토하였고, Dynamic Mesh에의한열차거동을적용할때터널과외부영역의제안된영역에서발생될수있는문제점을제시하고있음. 특히, 열차가터널진입전에발생되는유동장의문제점을해결하기위해급출발, 최고속도가되는지점에따라발생되는유동장의영향을고려해야할필요가있는것으로판단됨. 입구후드가고속열차터널의압력에미치는영향에대한해석적연구 Ÿ 문헌출처 : 김동현외 4인, 입구후드가터널의압력에미치는영향에대한수치해석적연구, 한국철도학회논문집, 1999 Ÿ 프랑스 ESI사의 CFD-FASTRAN을이용하여분석함. 해석모델로는 2차원비정상유동을적용하였으며, TGV열차의선두부를축대칭으로전환함. 또한, Euler 방정식을적용하였고, 점성모델은비점성으로해석함. Ÿ 주요해석내용으로는터널입구부후드설치유무에따른압력구배특성을검토하였고, 실험으로적용된터널과축대칭열차선두부모형과동일하게적용하여실험에서도출된결과와비교함. Ÿ 후드형태에따른압력파의특성을검토하여터널입구부의형상 ( 위치, 크기 ) 에따른영향을검토함. 그림 2.1.11 해석결과 (3) - 27 -
혼합차원기법을이용한고속열차의터널통과시발생하는비정상압축성유동장의수치해석 Ÿ 문헌출처 : 김태윤외 4인, 혼합차원기법을이용한고속열차의터널통과시발생하는비정상압축성유동장의수치해석, 한국항공우주학회지, 2002 Ÿ Roe FDS를사용한축대칭 Euler Solver를적용하였고, 터널내부에서의횡방향속도성분을무시하여 1차원으로가정하는혼합차원기법을적용하여움직이는열차주위의영역을제외한터널내부영역은 1차원 Euler방정식이적용됨. 터널외부미기압파와터널내부압력변동의정량적특성을고려하기위해서는열차근방의유동장을 3차원또는축대칭으로해석함. 그림 2.1.12 분석방법 Ÿ 이연구에서혼합차원기법을적용한것은 2000 년대초반의하드웨어자원으로는 열차및터널의전영역을 3 차원방정식으로해석하는것이과도한시간소요로 인하여현실적으로거의불가능하였기때문임. 3차원형상을고려한고속철도에의한터널내압력파전파의 CFD해석 Ÿ 문헌출처 : 신대용외 5인, 3차원형상을고려한고속철도에의한터널내압력파전파의 CFD해석, 한국전산유체공학회지, 2012 Ÿ ANSYS사의 FLUENT 코드를이용하여해석하였으며, 열차거동해석을위하여 Dynamic Mesh layering기법을적용하였고, 유동상태는압축성이상기체, 벽면은비점성모델을적용함. Ÿ 해석영역은 2차원대칭수치해석기법에 3차원수치해석기법과공기역학이론을적용, 3차원수치해석과 2차원수치해석의결과를비교함. Ÿ 분석결과로는단순한터널내고속철도의압력파의최고압력이나그추이를위 - 28 -
한해석이라면 2차원축대칭수치해석으로도충분히해석가능하나, 수직구주변의압력변화의보다정확한해석을위해서는수직구의입구와출구단면적비를고려한 3차원수치해석법이더적합함을증명함. 즉, 2차원해석모델의경우구조적인형상변화에따른영향을검토하는데한계가있으므로구조적인변화가있으며단면적비율에대한영향을고려하여검토하는경우 3차원해석모델이타당함은결과를얻음. 그림 2.1.13 해석결과 (4) 국외에서고속으로터널에진입하는열차에의해터널입구부에서발생한압력파의거동을전산유체해석기법을활용하여압력파의특성을예측한연구사례를중심으로조사를수행함. 터널에진입하는고속열차에의한압력파의 3차원수치예측 Ÿ 문헌출처 : David Uystepruyst외 4인, Efficient 3D numerical prediction of the pressure wave generated by high-speed trains entering tunnels, Computers & Fluids, 2010 Ÿ 이연구는해석모델이나코드에대한정확한명칭을명시하고있지는않지만, 지배방정식은 Navier-Stoke에기초한유한체적법을적용하고있는것으로판단됨. Ÿ 주요연구내용은해석격자형태에따른결과를실험값과비교하여신뢰성향상을도모하는것으로격자의생성및간격에따라실험치와최소 3% 에서최대 11% 까지의오차를나타냄. 즉, 이연구에서는해석적기법적용시에해석격자작성의중요성을강조하고있음. - 29 -
그림 2.1.14 해석결과 (5) 터널내에서열차교행시에대한수치해석 Ÿ 문헌출처 : Chia-Ren Chu외 4인, Numerical simulation of two trains intersecting in a tunnel, Tunnelling and Underground Space Technology, 2014 Ÿ ANSYS사의 FLUENT 코드를이용하여해석하였으며, 열차거동해석을위한 Sliding Mesh기법을적용하였고, 유동상태는압축성이상기체, 난류모델은 ENG k-ε난류모델을적용함. Ÿ 연구목적은터널내에서교차하는두열차의압력파를해석하여실측결과와비교분석함. 그림 2.1.15 해석결과 (6) Ÿ 앞서검토된문헌의경우, 터널내의압축파해석시에는벽면점성을비점성 (inviscid) 로해석하는경우가대부분이었으나, 이연구에서는 2-equation 난류모델을적용함. 향후연구시에는유동상태의가정에대한면밀한검토와벽면에서의유동해석모사에대한연구가반드시필요할것으로판단됨. - 30 -
터널내를통과하는열차의압력장분석 Ÿ 문헌출처 : Jakub Novák, Single Train Passing through a Tunnel, European Conference on Computational Fluid Dynamics, 2006 Ÿ ANSYS의 FLUENT코드를이용하여해석하였으며, 열차거동해석을위한 Sliding Mesh기법을적용하였고, 유동상태는압축성이상기체로가정함. 그림 2.1.16 해석모델링 Ÿ 비압축성모델과압축성모델과의차이점을검토하여압축성모델사용의타당성 을입증하였으며, 3 차원형상특성을고려한열차에서의 Drag Force, 터널내압력 변동등을해석함. 터널입구부의형상에따른압력파특성해석 Ÿ 문헌출처 : Michael Schlämmer외 1인, CFD-Simulations on the Generation of the Pressure Wave When a High Speed Train Enters a tunnel with Different Portal Modifications, Bluff Bodies Aerodynamics & Applications, 2008 Ÿ ANSYS사의 CFX코드를이용하여해석하였으며, 열차거동해석을위한 Sliding Mesh기법을적용하였고, 유동상태는압축성이상기체로가정하였으다. 난류모델로는 SST모델 (with a second order backward euler scheme for time discretization) 을적용함. Ÿ 터널의입구부형상에따르는압력파의특성을해석하고실험적방법과의비교를통하여수치해석적방법의타당성을검증함. - 31 -
그림 2.1.17 해석결과 (7) 해석적방법에대한연구문헌조사결과, 다양한종류의상용코드를사용하여해석이가능함을알수있음. 그러나, 차원해석의종류와난류모델의선정에있어서는연구자마다큰차이를나타냄. 또한, 미기압파 (Micropressure Wave) 와압력장의해석은물리적은큰차이를나타내므로해석목적에부합하는해석방법의연구가반드시필요함. 움직이는열차의거동모사를위한 Sliding Mesh 또는 Dynamic Mesh의채용은하드웨어의계산속도를크게저하시키고많은량의계산자원이소요됨으로서다양한해석케이스를실행하는데영향을미칠수있음. 해석적연구는해석에의하여도출된물리량을실험적연구에서도출된값과비교하는경우가많은데, 기준이되는실험적결과값또는실측치가불안정하거나샘플링수가적은경우에는이를추종하는해석의신뢰성자체가크게흔들릴수있으므로해석적연구와동시에신뢰성있는실측값이나실험적연구결과치가성립되어있어야하는것이필수적임. - 32 -
3. 국내외특허분석 가. 특허분석범위 2.1.8 특허분석기준 분 DB 검색국가분석구간검색범위 분석기준 Thomson Innovation 미국 출원, 등록 유럽 일본 한국 중국 1990.01.01. ~ 2014.11.28. 출원, 등록 출원, 등록 출원, 등록 출원 Title, Abstract, Claim 나. 기술분류및검색조합식 기술구분 A 기술 ( 철도터널미기압파기술, 철도터널흡음 / 방음관련기술 ) B 기술 (TEST BED 의원격모니터링시스템설계기술 ) 표 2.1.9 특허검색조합식 검색조합식 CTB=(tunnel) AND CTB=((micro*pressur* or (sonic near2 boom) or (moving and model and rig) or hood or (shock near absorb*) or air*shaft or (compress* near2 wave) or (micro* near2 pressur*) or ((wind* or air) near2 (pressur* or wave*)))) AND CTB=((railway or railroad or locomotive or train*1 or (rail near2 (car or vehicle)) or transit or tram or (rolling adj stock) )) AND DP>=(19900101); (CTB=(tunnel) AND CTB=((railway or railroad or locomotive or train*1 or (rail near2 (car or vehicle)) or transit or tram or (rolling adj stock))) AND DP>=(19900101)) AND (CTB=((noise or sound or acoustic*) and (proof* or absorb* or absorpt* or louver or mat) )); (CTB=(tunnel or track) AND CTB=((railway or railroad or locomotive or train*1 or (rail near2 (car or vehicle)) or transit or tram or (rolling adj stock))) AND DP>=(19900101)) AND (TAB=((monitor* or measur* or detect* or meter* or estimat* or evaluat* or apprais* or assess* or gaug* or check or sens*) and (wifi or wireless))); 검색특허 관련특허 345 115 446 116-33 -
다. 특허기술동향 (1) 출원년도및국가별특허출원동향 터널미기압파저감후드분야의특허동향을살펴보면, 1990 년부터현재까지총 231 건 의관련유효특허가출원되고있음. 그림 2.1.18 출원년도및국가별출원추이 국가별로는중국이 37%(85건 ) 로최다이며, 일본, 한국, 미국, 유럽의순으로출원되고있음. 우리나라는 2006년이후출원특허가전체특허의 60% 이상을차지하는등최근관련분야관심이증가하고있음이고보여짐. 중국은 2006년이후전체특허의 90% 이상을출원하는등, 최근의기술상승세가매우높게나타나고있음. (2) 세부기술별특허출원동향 세부기술별특허출원동향을보면, 철도터널미기압파저감기술 (A 기술 ) 과원격모니터 링기술 (B 기술 ) 분야특허가 50% 씩동일하게나타나고있음다만, 2000 년대이후원격 모니터링기술 (B 기술 ) 의특허가지속적으로증가추세에있음. - 34 -
그림 2.1.19 세부기술별특허출원동향 (3) 주요출원인분석 특허를많이출원한상위 5개의출원인 (Top 5 Assignee) 을살펴보면, 한국의 KRRI, 일본의 HITACHI, RTRI, 중국의북경교통대등이많은출원을하고있음. 이분야다출원인들은일본의 HITACHI 를제외하고대부분자국특허에국한되어출원한것을통해, 국제기술경쟁이가속화하지는않은것으로보여짐. 그림 2.1.20 주요출원인동향 한국의 KRRI, 중국의북경교통대가 2010 년대에들어서도지속적으로많은특허를출원 하고있는것을통해, 이분야에대한기술개발이지속적으로수행되고있음을확인할 수있음. 반면에, 일본의 HITACHI 는 2010 년이후특허출원이정체되어있음. - 35 -
그림 2.1.21 주요출원인연도별출원동향 (4) 국가별기술분포 출원국가별세부기술특허분포를살펴본결과일본, 한국이철도터널미기압파저감기술 (A기술) 분야특허가많이나타나고있음. A기술분야는일본이가장많은특허를출원하고있는것으로나타남. 최다출원국가인중국의경우원격모니터링 (B기술) 특허를가장많이출원하고있음. 중국의최근철도건설확대와함께, 이분야에대한특허상승세가매우높게나타나고있는것으로판단됨. 중국이최근 B기술에대한집중도가높게나타나는것을통해, 한국에서도상대적으로약한 B기술분야에대한기술확보가필요할것으로판단됨. - 36 -
그림 2.1.22 기술별 / 국가별기술분포 ( 버블형 ) (5) 우선권국가 (Priority Country) 별특허분포지수분석 (5-1) 시장확보지수 (PFS : Patent Family Size) ( 지표설명 ) 특정국가에서상업적인이익또는기술경쟁관계에있을때해외에특허를출원하므로, Family Patent 數가많을때특허를통한시장성이크다고판단되어이를시장확보력의지표로사용함. ( 계산식 ) Ÿ 국가별시장확보지수 (PFS) = ( 해당국가특허別패밀리 ) / 해당국가특허건수 ( 분석결과 ) Ÿ 유럽의시장확보지수 (PFS) 가 6.50로가장높지만, 특허건수가매우작아일반화된결론으로보기는어려움. Ÿ 특허건수가많은중국, 일본, 한국의경우, 유럽및미국에비하여패밀리특허가매우작은수준임. Ÿ 한국은향후해외시장을고려한해외패밀리특허의확보가요구됨. - 37 -
2.1.23 국가별출원건수및시장확보지수 (5-2) 인용도지수 (CPP : Cites Per Patent) ( 지표설명 ) 특정국가의특허들이이후등록되는특허들에의해인용되는횟수가많을수록기술경쟁력이높으므로, 인용도지수 (CPP) 가클수록원천특허 / 핵심특허를많이보유한정도를나타내는지표로사용함. ( 계산식 ) Ÿ 국가별인용도지수 (CPP) = ( 해당국가특허別피인용수 ) / 해당국가특허건수 ( 분석결과 ) Ÿ 미국의인용도지수 (CPP) 가 8.56으로가장높게나타나원천특허 / 핵심특허를많이보유한것으로판단할수있음. Ÿ 이에반해, 한국은유럽, 미국등과비교할때, 특허건수에비해인용도지수 (CPP) 가매우낮은수준으로, 원천특허 / 핵심특허비중이낮은것으로판단할수있음. 그림 2.1.24 국가별인용도지수 (5-3) 영향력지수 (PII : Patent Impact Index) 및기술력지수 (TS : Technology Strength) - 38 -
( 지표설명 ) 영향력지수는특정국가가소유한기술의질적수준을측정하는지수이며, 기술력지수는특정국가의기술보유양적수준 ( 특허건수 ) 과영향력지수 ( 질적수준 ) 을함께나타냄. ( 계산식 ) Ÿ 국가별영향력지수 (PII) = 해당국가특허인용도지수 / 전체 ( 모든국가 ) 특허 Ÿ 인용도지수국가별기술력지수 (TS) = 해당국가특허건수 해당국가영향력지수 ( 분석결과 ) Ÿ 미국의영향력지수 (PII) 가 1.00로가장높게나타나질적수준에서우수하며, 양적수준 ( 특허건수 ) 을고려한기술력지수 (TS) 에서도 15.97로우수 Ÿ 일본은특허건수가많음에따라기술력지수가 17.48로가장높게나타남. Ÿ 우리나라는영향력지수, 기술력지수모두낮게나타나고있음. 2.1.25 국가별영향력지수및기술력지수 (6) 기술분야특허분포도 (6-1) Text mining 을통한특허분포 터널미기압파저감후드분야관련검색결과 791건중검색특허중최종 231건의유효특허기술이분포함. 등고선꼭지점이높은 Air/Hood/Inside, Section/Structure/Hole, Node/Network/Sensor 등 2 개 Text에특허가많이분포하고있어관련분야의기술집중도가높은것으로판단할수있음. 특히, 2014년에출원된최신특허들을보면 Device for accurately positioning railway - 39 -
locomotive, Real-time detection method for high-speed rail, Online monitoring track traffic axle temperature system 등원격모니터링 (B 기술 ) 과관련된기술이나타 나고있음. 2010 년이후 2000-2009 1990-1999 그림 2.1.26 특허등고선맵 (6-2) 핵심기술 ( 중분류기준 ) 을통한특허분포 철도터널미기압파저감기술 (A기술) 분야의경쟁이치열하며, 한국의 KRRI, 일본의 HITACHI 및 RTRI가이분야기술을주도하고있음. 한국의경우 KRRI, KAIST 등대부분의기관이 A기술에집중하고있는것으로나타나, 향후 IoT 기술등과연계하여원격모니터링 (B기술) 에대한관심도높여야할것으로판단됨. - 40 -
A. 철도터널미기압파저감기술 B. 원격모니터링기술 그림 2.1.27 세부기술별특허등고선맵 (7) 주요핵심특허현황 철도위험음향및위치검지, 경보시스템에대한 STEPHENS ROBERT DOUGLAS 의미국공개특허 US6216985B1 건의피인용건수가 41건으로가장많으며, 기타원격모니터링과관련된특허들이피인용건수가많아이러한특허들을중심으로주요특허를선정하여핵심특허권리분석을할수있음. 표 2.1.10 주요핵심특허현황 ( 피인용수順 ) 공개번호발명의명칭출원인정리 피인용수 (Forward) US6216985B1 Railway hazard acoustic sensing, locating, and alarm system STEPHENS ROBERT DOUGLAS 41 US6275525B1 Enhanced method for adaptive equalization technique in mobile wireless systems National Semiconductor Corporation 24 CN101254791A Rail transit train automatic monitoring system based on communication Beijing Helishi System Engineering Co. Ltd. 23 US7222003B2 Method and computer program product for monitoring integrity of railroad train GENERAL ELECTRIC 21 JP2005212740A VEHICLE BODY STRUCTURE FOR RAILWAY LEADING VEHICLE EAST JAPAN RAILWAY CO 17-41 -
US20060098580A1 US20100141445A1 JP7089439A Apparatus and method capable of beam forming adjustments Multi-Mode Commissioning/ Decommissioning of Tags for Managing Assets SHAPE OF TOP OF ROLLING STOCK HEAD VEHICLE LI Q 15 Savi Networks Inc. 13 WEST JAPAN RAILWAY CO 11 JP2007082075A WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM HITACHI KOKUSAI ELECTRIC INC 11 JP2005155129A TUNNEL SHOCK ABSORBING WORK EAST JAPAN RAILWAY CO 10 (8) 주요핵심특허심층분석 ( 사례 ) (8-1) 주요핵심특허심층분석 ( 권리성분석 ) 1990년이후피인용수가가장많은 STEPHENS ROBERT DOUGLAS 의미국공개특허 US6216985B1 건은철도위험음향감지, 위치결정및경보시스템에관한기술이며, 2000년대이후출원특허중에서는통신을기반으로철도운송열차자동모니터링시스템에대한중국공개특허 CN101254791A 의피인용도가가장높게나타남. 이러한특허들을중심으로세밀한검토를통한고려가필요할것으로판단됨. 표 2.1.11 주요핵심특허현황 1 분류 B 기술 ( 원격모니터링기술 ) 특허번호 ( 출원번호 ) US1998134628A 특허번호 ( 공개번호 ) US6216985B1 출원인 STEPHENS ROBERT DOUGLAS 출원일 1998-08-13 공개일 2001-04-17 발명의명칭 Railway hazard acoustic sensing, locating, and alarm system 대표도면 - 42 -
내용 철도위험음향감지, 위치결정및경보시스템에관한기술 주요 청구항 1. A method for detecting a physical event which affects a metal guideway transportation system comprising the steps of: (a) introducing predetermined acoustic waves onto a metal guideway of said metal guideway transportation system at a first location, said predetermined acoustic waves propagating via said metal guideway; (b) acoustically monitoring said metal guideway at a second location; and (c) detecting a change in said predetermined acoustic waves, said change indicates a physical event has occurred between said first location and said second location whereby said metal guideway transportation system may be acoustically monitored substantially continuously, for low acoustic energy events. 법적상태 ( 회피전략 ) - 이특허는 1998 년출원이후지금까지유지되고있는등록특허임 - 이에따라, 향후관련분야연구를진행함에있어해당특허기술에대한면밀한검토를통해해당기술을침해하지않고회피하여기술개발이이루어질수있도록하여야할것임 - 43 -
2 분류 B 기술 ( 원격모니터링기술 ) 특허번호 ( 출원번호 ) US1999471683A 특허번호 ( 공개번호 ) US6275525B1 출원인 National Semiconductor Corporation 출원일 1999-12-23 공개일 2001-08-14 발명의명칭 Enhanced method for adaptive equalization technique in mobile wireless systems 대표도면 주요내용 디지털무선시스템에서의모바일신호송수신관련기술 주요 개요 1. A method for adaptively equalizing an output of a digital communication channel, comprising: generating an initial channel estimation; determining an initial set of metric states of a trellis, based on a training sequence of known symbols of a received input signal comprising a sequence of symbols; updating the set of metric states according to the initial channel estimation and the received signal; updating a set of paths for the metric states using a delayed tentative decision of a symbol of the received signal, to determine a set of survivor paths; and updating the channel estimation, based on the updated metrics, delayed tentative decision, and the received signal; and further comprising iterated training to determine the meteric states of the trellis, wherein in each iteration, the training sequence is reversed. 법적상태 ( 회피전략 ) - 이특허는 1999 년출원이후지금까지유지되고있는등록특허임 - 이에따라, 향후관련분야연구를진행함에있어해당특허기술에대한면밀한검토를통해해당기술을침해하지않고회피하여기술개발이이루어질수있도록하여야할것임 (8-2) 주요핵심특허심층분석 ( 우수성분석 ) - 44 -
특허청발명진흥회의특허분석평가시스템 (SMART3) 을활용하여피인용수가가장높 은미국공개특허 (US6216985B1) 에대해상세분석한결과, 종합평가점수가 77 점으로 AA 로우수한기술로평가됨. 세부내용 - 전체미국등록특허中상위 4.5% 에위치하는우수특허로피인용수가높고독립청구항이많아권리범위가넓고세밀하게잘작성되었음 - 세부적으로살펴보면, 권리성 29.7점, 기술성 16.9점, 활용성 30.4점으로기계분야평균인권리성 24.7점, 기술성 15.4점, 활용성 29.9점보다모두높게평가되었음 그림 2.1.28 핵심특허 (US6216985B1) 평가결과 (9) 주요출원인심층분석 (9-1) 주요출원인기술영역분석을통한유사경쟁기업관계도 (TDA Cross-Correlation Map) - 45 -
< 지표설명 > - TDA Cross-Correlation Map은최다출원인 ( 한국철도기술연구원 ) 이출원한특허와기술영역 (DWPI MANUAL CODE*) 이유사한특허를출원한기관을상호연결한 Map으로, 최다출원인과연구영역이유사한경쟁기업을파악할수있음 DWPI MANUAL CODE(Derwent World Patents Index) : Thomson Innovation 의고유특허지표로서, IPC ( 국제특허분류 ) 의단점을보완한기술분류코드 그림 2.1.29 TDA Cross-Correlation Map TDA(Thomson Data Analyzer) Cross-Correlation Map을통한주요출원인의기술별특허출원유사성을살펴보면, Ÿ 최다출원인인한국철도기술연구원은 Q21-A12(Railways-> Railway track arrangements/construction-> Bridges and tunnels), T01-N02B(Digital computers-> Internet and information transfer-> Communications and control-> Control-> Monitoring), W05-D06F(Alarms, signalling, telemetry and telecontrol-> Transmission systems for measurement or control signals-> Transmission medium-> Data network-based transmission), W05-D08E(Alarms, signalling, telemetry and telecontrol-> Transmission systems for measurement or control signals-> Function and mode-> Remote monitoring), W01-A06B(Telephone and data transmission systems-> Digital information transmission) 등 5개기술분야에특허를출원하고있으며, 다출원인인한국철도기술연구원기술과유사연구를하는경쟁기업으로는, ZH TETSUDO SOGO GIJUTSU KENKYUSHO, CHINA RAILWAY NO 4 SURVEY&DESIGN GROUP 등이있음. - 46 -
(9-2) 주요출원인상호인용분석을통한기술분야 / 업계핵심특허도출 (TDA Aduna Map) < 지표설명 > - TDA Aduna Map은주요출원인의핵심특허및기술분야관계를파악할수있는 Map으로, Citing Patent First Assignee (cleaned)* 를기준으로작성함 주1) Citing Patent First Assignee (cleaned): Thomson Data Analyzer 의고유특허지표로서, 개별특허에대한 Cluster Relevance 관계를통해서경쟁기업간핵심특허를파악하는지표임 그림 2.1.30 TDA Aduna Map TDA(Thomson Data Analyzer) Aduna Map을통해주요출원인의상호분석을통해핵심특허 ( 기술분야, 업계 ) 를살펴보면, Ÿ WEST JAPAN RAILWAY CO의핵심특허기술인일본특허 ( 공개번호 JP1993267701A) 인 SHAPE OF TOP OF ROLLING STOCK HEAD VEHICLE 기술은공기저항을저감하기위해철도차량의차체구조의형상기술로서 KAWASAKI HEAVY IND, NIPPON SHARYO SEIZO, MITSUBISHI JUKOGYO, HIGASHI NIPPON RYOKYAKU TETSUDO KK, ZH TETSUDO SOGO GIJUTSU KENKYUSHO, RAILWAY TECHNICAL RESEARCH INSTITUTE 등 6개기관에가장많은기술영향을미치고있어핵심기술로파악할수있음. Ÿ 또한, HIGASHI NIPPON RYOKYAKU TETSUDO KK의핵심특허기술인일본특허 ( 공개번호 JP2005155129A) Shock absorbing structure for tunnel, - 47 -
includes pipe sections which are protruded to outside from hood section 기술은터널공사시충격흡수구조기술로서다출원기관들인한국철도기술연구원, 일본의 RTRI(Railway Technology Research Institute) 및 ZH TETSUDO SOGO GIJUTSU KENKYUSHO 에많은기술영향을주고있어주요세부핵심기술로파악할수있음. (10) 특허출원동향을통한집중 / 공백분야등전망 (10-1) 특허출원기술분야별집중 / 공백분야전망 < 지표설명 > - TDA Co-occurence matrix 는모든특허 (231건 ) 의기술영역 (DWPI MANUAL CODE) 을 Matrix* 형태로분석한것으로, 특허출원이많은기술영역 ( 집중기술 ) 과적은기술영역 ( 공백기술 ) 의분석이가능함 Matrix 분석 : x축과 y축에기술영역 (DWPI MANUAL CODE) 을두고, 상호연관된특허건수를도출함으로써, 출원이많은영역과적은영역의분석이가능 그림 2.1.31 TDA Co-occurence matrix (DWPI MANUAL CODES 비교 ) - 48 -
TDA(Thomson Data Analyzer) Co-occurence matrix를통한기술분포를살펴보면, 특허가많이나타나는곳 ( 적색박스교차점 ) 을기술개발이활발하게이루어지는집중기술영역으로볼수있으며, 빈칸으로표시되는곳을공백기술부분으로판단할수있음. Ÿ 이중, 신호제어및측정을위한변환기기 (Transmission systems for measurement or control signals_w05) 분야와관계가많은영역을좀더세밀하게살펴보면, 철도차량신호기기관련기술 (W05-D07D)( 적색박스표시 ) 과모니터링기술 (W05-D08E)( 적색박스표시 ) 관련특허 11건이상대적으로연구가가장집중되는영역으로판단할수있음. Ÿ 그외의공백분야및건수가작은분야는상대적으로연구가부족한분야로볼수있음. (10-2) 특허출원인별연계성분석 < 지표설명 > TDA Cross-correlation matrix 는특허다출원인間상관관계를 Matrix* 형태로나타낸것으로, 출원건수가많은출원인특허를중심으로상호연계하여개발되는기술영역의핵심기업을제시하는분석이가능함 Matrix 분석 : x축과 y축에특허다출원인을두고, 각기술영역별피어슨상관계수기재 (-1 에가까울수록반비례, 1에가까울수록정비례관계, 0은상호무관 ) 그림 2.1.32 TDA Cross-correlation matrix - 49 -
TDA(Thomson Data Analyzer) Cross-correlation matrix를통한기술분포를살펴보면, 특허출원건수 (Records) 가많은출원인 TOP 15 中, 상관관계가 0.5 이상으로높은기업은상호연계하여핵심적으로해당기술을선도하는기업영역으로볼수있음. KOBE STEEL LTD와 TOKAI RYOKYAKU TETSUDO KK가서로상관관계가 0.917 로가장높은것으로분석되며, 양사간에기술경쟁관계가가장밀접하게연계됨을판단할수있고 MITSUBISHI HEAVEY IND LTD와 NISHINIPPON RYOKYAKU TETSUDO KK가상관관계 0.766으로두번째로기술경쟁관계가가장밀접하게연계됨을파악할수있음. 향후상호연계성이높은분야를고려하여, 핵심기업의경쟁기술관계를파악할필요가있음. 4. 분석결과에따른시사점 가. 논문분석결론 터널미기압파저감후드분야논문추이를살펴보면, 1990년부터현재까지총 159건의관련논문이발표되고있으며, 일부증감이있지만대체적으로 1990년대후반부터증가하는추세를나타내고있어최근철도선진국을중심으로관심이높아지고있는분야로판단할수있음. 철도터널미기압파기술 (A기술) 분야의논문이많이발표되고있으며, 저널별로는 ACADEMIC PRESS LTD ELSEVIER SCIENCE LTD, PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD, LSEVIER SCI LTD, PROFESSIONAL ENGINEERING PUBLISHING LTD 등유럽, 미국의저널에서많은논문이발표되고있음. 국가별로보면, 유럽의기관에서많이발표 (40%) 되고있으며, 한국도약간의논문실적이발표 (8%) 되고있는상황으로관련분야연구노력이필요한상황임. 이분야에서는 Howe, MS 교수 ( 미국 Boston Univ) 가 21건으로가장많이발표한것으로나타나고있음. 이분야최다연구기관은미국 Boston Univ가 24건, 일본의 RTRI(Railway Technology Research Institute) 가 8건의논문을발표하였으며, 미국 Boston Univ가관련분야논문을많이발표하고있어해당분야를선도하고있음을알수있음. 나. 특허분석결론 터널미기압파저감후드분야의특허동향을살펴보면, 1990 년부터현재까지총 231 건 - 50 -
의관련유효특허가출원되고있으며, 중국이 37%(85건 ) 로최다이며, 일본, 한국, 미국, 유럽의순으로출원되고있음. 우리나라는 2006년이후출원특허가전체특허의 60% 이상을차지하는등최근관련분야관심이증가하고있음이고보여짐. 세부기술별로보면, 철도터널미기압파저감기술 (A기술) 과원격모니터링기술 (B기술) 분야특허가 50% 씩동일하게나타나고있음. 특허를많이출원한상위 5 출원인 (Top 5 Assignee) 을살펴보면, 한국의 KRRI, 일본의 HITACHI, RTRI, 중국의북경교통대등이많은출원을하고있으며, 이분야다출원인들은일본의 HITACHI 를제외하고대부분자국특허에국한되어출원한것을통해, 국제기술경쟁이가속화하지는않은것으로보여짐. 출원국가별세부기술특허분포를살펴보면, 일본, 한국이철도터널미기압파저감기술 (A기술) 분야특허가많이나타나고있음. 원격모니터링 (B기술) 분야는중국이가장많은특허를출원하고있는것으로나타나고있으며, 출원건수가가장많은것을볼때이분야강점을보유하고있는것으로보여짐. 지수분석을통해국가별경쟁력을비교해보면, 해외특허시장확보력을의미하는시장확보지수 (PFI) 는해외출원 Family Patent가많은유럽이높게나타나고있으며, 원천 / 핵심특허보유와관련이높은인용도지수 (CPP) 및영향력지수 (PII) 및양적수준 ( 특허건수 ) 을고려한기술력지수 (TS) 에서는미국이가장높은경쟁력을나타내고있음. 이를통해볼때, 향후연구를진행함에있어質的으로가장우수한미국특허를중심으로세부선행기술을분석하는것이필요할것으로판단됨. 한국의경우특허건수, 시장확보력, 인용도등기술영향력과관계된대부분의지수에서낮은수준을보이고있어향후관련분야기술확보가시급히요구되는상황임. 해외신흥시장 ( 동남아, 아프리카등 ) 에서원천기술의특허출원이필요함. 유효특허 231건에대한 Text mining을통해핵심연구영역을살펴보면, Air/Hood/Inside, Section/Structure/Hole, Node/Network/Sensor 등의 Text가특허청구항등에많이나타나고있어, 해당분야에대한기술집중도가높은것으로볼수있음. 특히 2014년에출원된최신특허들을보면 Device for accurately positioning railway locomotive, Real-time detection method for high-speed rail, Online monitoring track traffic axle temperature system 등원격모니터링 (B기술) 과관련된기술이최근추세임을알수있음. - 51 -
2 절국내외시장현황및전망 1. 국외시장환경 2009년말 EU에서는 통합기술지향의사용자지향적지속가능형미래교통시스템 에대한의견을각계로부터취합한바있고, 지속가능한미래교통의목적을교통이환경에미치는영향의개선, 안전성의증대, 혼잡감소, 화석연료의존성감소로정의하였음. 이를달성하기위한다음과같은기술개발과제를제시하였음. Ÿ 생애주기비용감소, 유연성개선및열차의공급력을높이기위한철도구성품의표준화수준증대 Ÿ 철도시스템의공급력증대방안모색 - 좀더에너지효율적인운전 ( 자동운전포함 ) - 장대화및열차용량증대 - 안전을해치지않으면서통행밀도를높이기위한신호기술개선 - 속도증대 - 승차율증대 ( 적재율증대 ) Ÿ 비용절감, 온실가스감소, 공급력증대, 선로훼손감소, 선로사용료인하를가능하게하는차량의경량화 - 복합재이용 Ÿ 교통용량, 속도의최적사용, 에너지절약및온실가스감소를가능하게하는 Telematic 응용의강화 - 통합된통행량관리시스템개발 Ÿ 국경통과시간감소를위한상호운영가능성및 Telematics 응용의증대 - 사전공지및표준화된문서사용등 Ÿ 환경영향감소를위한기술개발 - 디젤연료대체 Ÿ 전철화증대 - 에너지효율성증대 - 회생전력제동 ( 브레이킹 ), 차상에너지저장, 계측기의사용등 - 녹색디젤기관차 Ÿ 차륜 (Wheelsets), 제동기 ( 브레이크 ) 등안전에중요한차량구성품에대한유지보수기법의개발 - 새로운유지보수기법의개발 한편 EIM(European Rail Infrastructure Managers) 의견해에따르면고속화를위해서는신호통신제어시스템, European Train Control System(ETCS), 전기에너지, 재생에너지의이용, Telematics 를활용한 Intelligent infrastructure, Intelligent trains등의개발 - 52 -
이필요함하였고, 환경개선을위한연구로는에너지효율성제고 ( 연비개선 ), 온실가스배출감소, 소음저감등이필요함이고하였음. 철도산업은건설 운영 차량의 3부문으로크게구분할수있고, 건설과관련된 2000년세계철도인프라시장의규모는다음과같음. 표 2.2.1 2000 년세계철도인프라시장규모 궤도 전철화 소계 신규 / 개량유지 / 관리신규 / 개량유지 / 관리신규 / 개량유지 / 관리 서유럽동유럽북미중남미아시아 아프리카 / 중동 CIS 오세아니아 ( 백만 EUR) 계 ( 조원 ) 3,170 500 710 310 3,250 570 470 220 9,200 14.2 5,450 1,760 7,600 610 5,380 820 2,680 430 24,730 38.1 1,000 400 170 60 970 170 230 40 3,040 4.7 1,180 390 30 10 410 15 470 10 2,515 3.9 4,170 900 880 370 4,220 740 700 260 12,240 18.9 6,630 2,150 7,630 620 5,790 835 3,150 440 27,245 42.0 계 10,800 3,050 8,510 990 10,010 1,575 3,850 700 39,485 60.9 철도선진국으로철도위주의교통시스템을확보하고있는서유럽은신규 / 개량에서도여전히세계철도인프라시장의약 1/4을점유하고있으며, 최근들어중국을위시한아시아지역의성장이두드러짐. 반면노후철도가많은동유럽과북미, CIS 지역에서는유지관리시장규모가철도인프라시장의대부분을차지하고있으며, 향후철도건설시장전망은다음과같음. 표 2.2.2 향후세계철도시장전망 ( 통일 ) 서유럽동유럽북미중남미아시아 아프리카 / 중동 CIS 오세아니아 계 ( 백만 EUR) ( 조원 ) 14 년까지 15 년이후 34,970 18,763 8,900 15,621 123,983 54,356 35,355 3,006.7 294,954.7 454.6 182,471 29,132 309,172 33,499 101,786 25,915 70,155 3,289.3 755,419.3 1164.3 계 217,441 47,895 318,072 49,120 225,769 80,271 105,510 6,296 1,050,374 1618.9 2014 년까지단기적으로는중국의고속철도망구축에따라아시아시장규모가클것으 로보이고, 2015 년이후에는온실가스규제와미국국내산업의시장개편으로북미지 - 53 -
역의철도망확충사업이철도건설시장을주도할것으로전망됨. 이를토대로세계철도시장은고속철도중심으로유럽과아시아를기반으로지속적으로시장이성장할것으로예상할수있음. 향후북미시장의규모가급속히커질것으로예상되며, 이때서유럽과일본등선발주자및한국, 중국등후발주자까지북미철도시장점유를위한치열한경쟁이예상됨. 궤도 / 교량 / 터널등구조물의성능규정에대한세계적인방향은 WTO(World Trade Organization)/TBT(Agreement on Technical Barriers to Trade) 협정의체결을바탕으로한설계지침류의국제표준화에대응임. Ÿ 현재까지토목과건축에관련된대부분의설계는강제규정에바탕을둔소위 사양설계법 에바탕을두고있어어떠한구조물을설계할때는구체적으로명시한코드나시방서를따라야했지만, 최근들어토목과건축분야에서성능기반설계 (Performance-Based Design, PBD) 로의전환이시도되고있음. Ÿ 성능기반설계는합리적이고측정가능한지표에바탕을두고요구성능의확보를도모하는결과지향적인접근법이라할수있으며, 이미철도선진국인독일이나일본에서는성능설계를철도에적용하고있으며이러한경향은세계적추세라할수있음. Ÿ 이러한국제적경향을따라가기위하여국내의토목, 건축, 항만등에서는성능중심설계로의전환이이루어지고있는실정이지만아직철도, 특히터널분야에서는아직도사양중심설계에머물러있음. 따라서현재까지사양중심의설계를하고있는국내철도터널분야에서도이를위한기반구축이필요함. 2. 국내시장현황및전망 국내터널현황을살펴보면, 철도터널은 1905년경부선에서최초로시공되어현재전체터널길이는 241km로서전체철도노선의약 7.8% 에해당되고, 고속철도터널은전체길이가 191km로서전체노선의 46% 에해당됨. ( 출처 : 터널현황및일반계획, 2012.9, 한국도로공사 ) - 54 -
그림 2.2.1 국내터널현황 ( 철도산업정보센터기술자료 ) 국내도로터널현황을살펴보면, 2013년 12월말기준전국의도로터널수는 1,659개소로, 2003년말 603개소에불과하던것과비교하여 1,056개소 (175%) 가증가하였으며, 연장은 390km에서 1,208km로 818km(209%) 증가하였음. ( 출처 : 도로교량및터널현황, 2013.12.31., 국토교통부 e-나라지표 http://www.index.go.kr) 그림 2.2.2 전국도로터널현황 (http://www.index.go.kr) 국내철도터널개소및연장현황을살펴보면, 기존선최장터널로는전라선죽림온천 ~ 관촌간슬치터널 6,128m (1999.5.18. 개통 ) 이있으며, 고속선최장터널로는경부고속선 - 55 -
대전 ~ 대구황학터널 9,917m (2001.11.30. 개통 ) 을들수있음. ㆍ터널ㆍ옹벽현황, 2009.12.31., 국토교통부정책자료 http://www.molit.go.kr) ( 출처 : 철도교량 그림 2.2.4 전국철도터널현황 (http://www.molit.go.kr) 호남고속철도는전체터널의총연장중약63% 가 2km 이상의장대터널에대한연장이며, 수도권광역철도건설또한총연장 168km중 147km가터널구간으로대규모장대터널이굴착될계획임. ( 출처 : 호남고속철도터널개소대비터널연장비교, 2012, 한국철도시설공단 ) - 56 -
그림 2.2.5 호남고속철도터널개소대비터널연장비교 국내고속철도에서터널출구미기압파저감대책이필요한경우는콘크리트궤도를적용한준고속노선의터널로개략현황은다음과같음 ( 코레일 - 중장기운송전략, 2012.08). Ÿ 도담-영천 ( 중앙선 ), 동해선, 중부내륙철도, 서해선과같이최고운행속도 250km/h( 일부 200km/h) 에서최적설계의최소단면으로터널내공단면적을설계하는경우 ( 단선터널내공단면적 40m 2, 복선터널내공단면적 66m 2 ~69m 2 ) : 완공예정터널수는 2024년까지 317개소로추산되며, 이중최소터널약 100개소이상에미기압파후드가필요할것으로예상됨. 350 300 250 누적 터널수 231 259 286 317 200 162 200 150 131 100 50 0 93 47 46 35 38 31 38 12 2 2 10 31 28 27 31 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 그림 2.2.6 연도별준공터널추이 - 57 -
현재국내업계의기술동향및기술수준은건설비절감을위한터널단면적최적설계에치중하고있으나, 미기압파저감대책의경우, 장대터널및 250km/h 급터널에대한분석및평가기술이부족하고, 평가기준이정립되어있지않아일본의평가기준을차용하여적용하고있음. 철도터널단면적확대없이터널미기압파문제의해결이가능한터널갱구후드기술이실용화되지않아현장적용에문제가있으며, 최적설치를위한상세도면, 기술시방서, 일관된평가기법이미비하여실제적인적용에여러문제점이산적한상태임. 따라서, 국내에현재설계중인 200km/h 급과 250km/h 급의신규고속철도의터널이 100 개소이상이라터널미기압파저감대책이필요하고, 고속철도수출시독자기술의원천기술과그의실용화실적이필요함. 3. 해외시장현황및전망 2010년 ~2020년까지계획된전세계교통인프라투자규모는 41조달러에이를것으로보이며, 이중교통인프라 ( 도로 + 철도 ) 가 19%(7.8조달러 ) 를차지할것으로예측됨. 교통인프라투자에대한지역별현황을살펴보면, 중남미시장과중동시장에서상대적으로많은투자가예측됨. ( 출처 : Strategic Insight on Global Rail Market, 2012.5, Frost & Sullivan) 그림 2.2.7 2010~2020 글로벌인프라투자 ( 지출 ) 현황 글로벌철도인프라 ( 철도연장, 전철화선로 ) 시장중철도연장선은 2013년부터 2020년까지연평균복합성장률 (CAGR) 1.1% 증가하는등철도차량 ( 기관차, 여객열차, 동차, 화차 ) 시장을포함하여 2020년까지계속해서증가할것으로예측됨.( 출처 : Executive Analysis of the Global Rail Industry 2014, 2014.7, Frost & Sullivan) - 58 -
2.2.8 Rail Market : Forecast Overview of Key Rail Parameters, Global, 2013 and 2020 2010년 ~2020년까지계획된철도선로의추가구축계획을살펴보면, 전세계적으로는 0.2% 증가하는데그칠것으로예측됨. 유럽은기존의선로활용을극대화하는데주력할것으로예측되지만, 상대적으로아시아지역에서선로확대가많이나타날것으로예측됨.( 출처 : Strategic Insight on Global Rail Market, 2012.5, Frost & Sullivan) 그림 2.2.9 2010~2020 글로벌인프라투자 ( 지출 ) 현황 2011년 ~2020년까지계획된고속철도인프라투자에대한누적시장규모를살펴보면, 2011년 700억달러에서, 2020년 9,100억달러까지크게성장할것으로예측됨. 고속철도시장은철도산업에서가장큰잠재력을갖고있는사업분야이며, 중동과북미가가장큰신규시장이될것으로예측됨. ( 출처 : Strategic Insight on Global Rail Market, 2012.5, Frost & Sullivan) - 59 -
그림 2.2.10 2011~2020 고속철도인프라투자현황 2012년부터 2022년까지세계고속철도시설연장선에대한연평균성장률은 4.5% 에달할것으로전망됨. 또한 2025년까지아시아와유럽간고속철도연결서비스 1단계상업화가기대되어고속도로에서철도로의대규모교통수단전환이예상됨. Ÿ 유럽의경우 2025년까지스페인에서부터프랑스및터키에이르는거대고속철도망이구축될것으로기대되고, 아시아태평양의경우인도는중국고속철도다음으로가장큰고속철도망잠재성을갖고있지만운영및펀딩프로젝트관련사유로고속철도망채택율은여전히불확실함. ( 출처 : Rail Outlook Study 2013-2022, 2011.5, Frost & Sullivan) 그림 2.2.11 2012-2020 년글로벌고속철도망인프라스트럭쳐현황 - 60 -
가. 국외터널시장현황 산업조사전문기관 IBIS World에따르면, 미국의교량및터널건설산업의시장규모는 2013년을기준으로 251억달러에서 2015년 275억달러로증가할것으로예상됨. ( 출처 : 미국, 교량 터널건설산업현황및진출기회, 2013.09, KOTRA 해외비즈니스정보포털 Globalwindow) 그림 2.2.12 미국터널및교량건설산업시장규모 또한미국의교량및터널건설산업의시장은분야별로는신설되는터널이약 8.7% 로나타나고노후된교량및터널의개보수는전체산업에서 24.7% 를차지함. 또한, 미국의연방및주정부의재정적자가지속되며 2011년가장높은하락세를기록했으나, 점차회복세로접어들것으로전망되며향후 5년간평균 4.9% 의성장할것으로예상함. ( 출처 : 미국, 교량 터널건설산업현황및진출기회, 2013.09.22., KOTRA 해외비즈니스정보포털 Globalwindow) 그림 2.2.13 미국고속도로건설정부예산및비주택분야건설시장규모 - 61 -
세계시장은중요국가인중국과유럽, 미국의후드설치시장규모를향후 10년간최소한 7,000억원규모로볼수있고, 본미기압파저감기술로인하여터널단면적을효율적으로축소할수있기때문에즉, 터널건설비를약 12% 절감할수있게되므로시장의진입가능성은매우높고, 특허권기술이전을통하여시장을개척할수있음. 나. 해외철도터널미기압파저감현황 2005 년이후유럽과일본, 중국, 대만등의신규고속선들이발라스트궤도에서콘크 리트궤도로바뀌고개통됨에따라콘크리트궤도의공기역학적특성때문에전부터널 갱구에미기압파저감후드를설치하고있음. 그림 2.2.14 국외의터널입구미기압파저감후드 터널내의콘크리트궤도를적용한일본, 중국, 독일, 대만등에서는터널미기압파저감대책을각나라의설계기준에맞게적용하고있음. 일본의경우철도터널미기압파저감을위해터널입구 30m에서 50m에걸쳐후드를설치하고, 열차전두부 (train noses) 형상디자인을개발하여효율적으로미기압파를저감하고있음. ( 출처 : MICRO-PRESSURE WAVES, 2013.10.31., INS & RST Delivery Unit, RSSB ) - 62 -
그림 2.2.15 일본의터널입구미기압파저감후드 독일 DB의경우카젠버그터널 (Katzenberg Tunnel) 입구천장에환기슬롯포탈돔형태의후드를설치하여터널에서압력증가와함께미기압파가생성될경우최급구배 (maximum gradient) 4km길이의터널에서는출구 (exit portal) 미기압파 50% 를저감하고, 최급구배 (maximum gradient) 10km길이의터널에서는출구 (exit portal) 미기압파 80% 를저감함 ( 출처 : MICRO-PRESSURE WAVES, 2013.10.31., INS & RST Delivery Unit, RSSB) 그림 2.2.16 독일의터널입구미기압파저감후드 4. 분석결과에따른시사점 2010 년 ~2020 년까지계획된전세계교통인프라투자규모는 41 조달러에이를것으로보 - 63 -
이며, 이중교통인프라 ( 도로 + 철도 ) 가 19%(7.8조달러 ) 를차지할것으로예측됨. 교통인프라투자에대한지역별현황을살펴보면, 중남미시장과중동시장에서상대적으로많은투자가예측됨. 2011년 ~2020년까지계획된고속철도인프라투자에대한누적시장규모를살펴보면, 2011년 700억달러에서, 2020년 9,100억달러까지크게성장할것으로예측됨. 고속철도시장은철도산업에서가장큰잠재력을갖고있는사업분야이며, 중동과북미가가장큰신규시장이될것으로예측됨. 산업조사전문기관 IBIS World에따르면, 미국의교량및터널건설산업의시장규모는 2013년을기준으로 251억달러에서 2015년 275억달러로증가할것으로예상됨. 국내터널현황을살펴보면, 철도터널은 1905년경부선에서최초로시공되어현재전체터널길이는 241km로서전체철도노선의약 7.8% 에해당되고, 고속철도터널은전체길이가 191km로서전체노선의 46% 에해당됨. 2005년이후유럽과일본, 중국, 대만등의신규고속선들이발라스트궤도에서콘크리트궤도로바뀌고개통됨에따라콘크리트도상의공기역학적특성때문에전부터널갱구에미기압파저감후드를설치하고있음. 일본의경우철도터널미기압파저감을위해터널입구 30m에서 50m에걸쳐후드를설치하고, 열차전두부 (train noses) 형상디자인을개발하여효율적으로미기압파를저감하고있음. 독일 DB의경우카젠버그터널 (Katzenberg Tunnel) 입구천장에환기슬롯포탈돔형태의후드를설치하여터널에서압력증가와함께미기압파가생성될경우최급구배 (maximum gradient) 4km길이의터널에서는출구 (exit portal) 미기압파 50% 를저감하고, 최급구배 (maximum gradient) 10km길이의터널에서는출구 (exit portal) 미기압파 80% 를저감함. 3 절국내외정책동향 1. 정책동향 국토해양부는철도산업의경쟁력을높이고발전기반을조성함으로써철도산업의효율성과공익성향상을위해 철도산업발전기본법 개정하였으며, 철도기술개발계획분야에서의비전을 철도산업경쟁력강화를위한철도기술선진화 로정함. 국토해양부에서는 2011년 1월 19일국가통합교통체계효율화법제4조제5항의규정에의하여국가기간교통망계획 (2001~2020) 제2차수정계획을확정고시하였음. 국가기간교통망계획에따르면철도분야에서는 X자형과 자형의국가철도망을구축할계획으로 - 64 -
현재건설 운영중인노선은 230km /h급으로고속화, 계획 설계중인노선은 250km /h급으로고속화하는간선철도고속화를통한철도기능효율화관련내용을주요내용으로고시하였음. 국가철도망계획의국가철도망구축계획을살펴보면 Ÿ 경부 호남고속철도 : 적기완공 (333km) ü ( 경부 ) 대전 대구도심구간 (41km) 14년완공 ü ( 호남 ) 오송 ~ 광주구간 (182km) 은 14년까지, 광주 ~ 목포구간 (49km) 은 17년까지완공추진 Ÿ 수도권강남수서 ~ 평택노선 (61km) 은 14년까지건설 Ÿ 광주 ~ 목포노선은호남고속철도기본계획변경을통해기존노선을고속화하는방안 ( 함평~무안직결선포함 ) 으로추진 Ÿ 건설 운영중인노선 : 최고 230km /h급으로고속화 Ÿ 선로직선화, 신호시스템, 전철화등일부시설개량을통해선형조건에따라 180km ~230km /h까지고속화 ü 건설비의 5%(1.2조원 ) 추가 ü 경춘, 전라, 중앙, 장항, 동해, 경전, 서해선, 공항철도등 ü 설계중인성남 ~ 충주구간은 KTX 운행고속화타당성여부검토 Ÿ 기존선과고속선을연결, KTX 서비스를전국으로확대 ü 경부선연계 : 포항, 진주, 마산, 수원 ü 전라선연계 : 전주, 순천, 여수 ü 인천공항철도 : 인천시, 인천공항 Ÿ 계획 설계중인노선 : 250km /h급으로고속화 Ÿ ( 동서축 ) 원주 ~ 강릉노선건설 (111km) ü 원주 ~ 강릉노선은 150 230km /h 급으로고속화시사업비 12% 증가 ü 춘천 ~ 속초구간 (92km) 은민간투자와연계 Ÿ ( 내륙축 ) 중앙선원주 ~ 신경주노선건설 (212km) Ÿ ( 수도권연결 ) 서울 ~ 원주구간 (90km) 은건설중인노선활용 ü 고속화를위한수서 ~ 용문구간 (44km) 은별도구축방안검토 Ÿ 남북 대륙철도, 해저터널등국제철도시대에대비 - 65 -
그림 2.3.1 국가철도망계획 (2011~2020) 국가기간교통망계획 2차수정계획에따르면, 교통분야에서철도의수송분담률이도로에비해크게증가하는구조변화가예상됨. 즉, 그림 2.3.2에서알수있듯이여객의경우 2008년 15.9% 에서 2020년 27.3%, 화물의경우 2008년 8.1% 에서 18.5% 로급격히증가함. 또한녹색성장위원회의교통 SOC 투자비율조정계획에따르면 2009년 29.3% 의투자비율을 2020년에는 50% 대까지확대할방침이며이에따라도로신규투자를억제하는대신운영효율화에주력하고자하는계획을발표하였음. 그림 2.3.2 수송분담구조변화 ( 자료 : 국토해양부 ) - 66 -
2010. 9. 1. 미래녹색국토구현을위한 KTX 고속철도망구축전략회의에서 KTX 고속철도망을통해국토를통합 다핵 개방형구조로의재편비젼을선포하였으며그내용으로는 Ÿ 사업비절감을위하여기존선을최대한활용하며신선은단계적건설, 전구간우선용지보상후일괄시공, 사업비절감형설계기준마련, 첨단건설기술을확보하여공기단축및사업비절감을도모함 현재예상하는투자소요는 134조원이며이를 97조원 (72% 수준 ) 으로축소하며국고규모도 124조원에서 59조원수준으로대폭절감목표 미래녹색국토구현을위한 KTX 고속철도망구축전략보고회의 (2010.9.1. 대통령브리핑, 국토해양부, 국가경쟁력강화위원회, 미래기획위원회 ) Ÿ 기존경부, 호남고속철도 (333km) 적기완공 Ÿ 건설또는운영중인노선을최고 230km/h급으로고속화방침 Ÿ 경춘, 전라, 중앙, 장항, 동해, 경전, 서해, 공항철도등 Ÿ 설계중인성남 ~ 충주구간은 KTX 운행을위한고속화타당성여부검토 Ÿ 계획, 설계중인노선을 250km/h급으로고속화 Ÿ 동서축 : 원주 ~ 강릉노선건설 (111km), 춘천 ~ 속초구간 (92km) Ÿ 내륙축 : 원주 ~ 신경주노선건설 (212km), 대전, 김천 ~ 거제구간 (200km) Ÿ 수도권연결 : 서울 ~ 원주구간 (90km) 은건설중인노선활용, 수서 ~ 용문구간 (44km) Ÿ 중점고려사항 : 시간단축, 수요창출, 사업비절감 Ÿ 사업비절감 : 기존노선최대활용, 신공법도입 국가기간교통망계획 (2001~2020) 수정계획확정고시 (2011년 1월 19일 )( 국가통합교통체계효율화법제4조제5항규정에의함 ) Ÿ X자형과 자형의국가철도망구축계획 Ÿ 건설또는운영중인노선을 180km/h~230km/h로증속방침 Ÿ 간선철도고속화를통한철도기능효율화를목표로함 정부의교통 SOC 투자계획 Ÿ 도로신규철도투자를현재 29% 에서 50%( 20년 ) 까지확대 Ÿ 투자억제, 운영효율화에주력 Ÿ 사업타당성평가시, 녹색가치반영 Ÿ 철도연장 3,378km => 5,497km(+2,119km) 2. 국내외관련법규및평가방법동향 가. 국내터널미기압파관련적용기준 - 67 -
(1) 터널미기압파관련적용기준과관련근거검토 표 2.3.1 고속철도보유국의터널미기압파관련적용기준 구분노선적용기준관련근거 일본신칸센 터널출구 20m 지점에서 50Pa 이하 민가근방 ( 보안물건 ) 에서 20Pa 이하 - 일본산악터널설계시공표준 (2008.04) 독일 ICE 터널출구 50m 지점에서 20Pa 이하 - Micro-pressure waves Korea For DB International(2007.08) 프랑스중국대만 200km/h 이상고속철도 터널출구 20m 지점에서 50Pa 이하 민가근방 ( 보안물건 ) 에서 20Pa 이하 - 일본산악터널설계시공표준 (2008.04) 호남고속철도 민가근방 ( 보안물건 ) 에서 20Pa 이하 - 호남고속철도노반실시설계보고서 대민 한국 수서 ~ 평택고속철도 원주 ~ 강릉철도건설 터널출구 20m 지점에서 50Pa 이하 민가근방 ( 보안물건 ) 에서 20Pa 이하 - 수서 ~ 평택고속철도 궤도중심간격및터널단면적검토 Report - 원주 ~ 강릉철도건설제 1 공구노반실시설계 3 편 - 제 6 장터널설계 중앙선도담 - 영천복선전철 터널출구 20m 지점에서 50Pa 이하 민가근방 ( 보안물건 ) 에서 20Pa 이하 - 중앙선도담 - 영천복선전철노반및실시설계터널구간공기역학검토보고서 검토결과 - 국내에미기압파허용기준이없어서노선에따라각각다른임시기준을만들어적용하였으나, 선진국 의국제기준과부합되지않는잘못된허용기준을사용하였음. 이에터널미기압파허용기준이시급히필 요함. (2) 철도설계기준 (2013. 12, 국토교통부 ) 표 2.3.2 철도설계기준 (2013. 12, 국토교통부 ) 수록내용 제 12 장터널 P12-13, 8 내공단면계획시에는열차의고속주행에의하여터널내에발생되는공기저항및공기압변 화와차량밀폐도, 승차감및미기압파의영향등을고려해야함. 검토결과 - 68 -
- 부록이나별표로구체적인미기압파허용기준을제공해야할것으로판단됨 (3) 터널설계기준 (2007, 건설교통부 ) P. 19 의 2.2.4 내공단면계획시에는다음사항을고려하여야함. 2.2.4 의 (9) 번항목에 구체적인내용수록 표 2.3.3 터널설계기준 (2007, 건설교통부 ) 수록내용 (9) 철도용터널의내공단면계획시에는열차의고속주행에의하여터널내에발생되는공기저항및공기 압의변화와차체밀폐도, 승차감및미기압파의영향을고려하여야함. 검토결과 - 부록이나별표로구체적인미기압파허용기준을제공해야할것으로판단됨 (4) 철도설계지침및편람 (KR CODE 2012, 철도시설공단, 국토교통부 ) KR C-12010, 터널계획편 (2012.12.5.) 표 2.3.4 KR C-12010, 터널계획편 (2012.12.5.) 수록내용 2. 계획 2.2 터널의기본계획 (3) 내공단면계획시에는다음사항을고려하여계획하여야함. P.6, 8 내공단면계획시에는열차의고속주행에의하여터널내에발생되는공기저항및공기압변화와차량밀폐도, 승차감및미기압파의영향등을고려해야함. 검토결과 - KR C-12150에서 터널미기압파의허용기준 으로구체적인미기압파허용기준을제공해야할것으로판단됨. - 또한 KR C-12150의뒤에 해설 1. 터널미기압파환경영향평가를위한현장시험계측방법 과 해설 2. 터널미기압파환경영향평가해석프로그램의신뢰도검증방법 으로자세한특성해설과초저주파소음 / 진동계측방법과환경영향평가방법을설명해야할것으로판단됨. - 69 -
KR C-12080, 갱구부편 (2013.9.16.) 표 2.3.5 KR C-12080, 갱구부편 (2013.9.16.) 수록내용 4. 갱문설계 P.4, (4) 터널에서설계속도고속화에따라주변지역에공기압 ( 미기압 ) 의영향이우려되는경우에는이를고려하여갱문형식을정하여야함. 검토결과 - 갱문에후드등의미기압파저감구조물 ( 돌출식갱문형식 ) 을설계에반영할수있도록되어있음 (5) 종합검토결과 국내에미기압파허용기준이없어서노선에따라각각다른임시기준을만들어적용하였으나, 선진국의국제기준과부합되지않는잘못된허용기준을사용하였음. 이에터널미기압파허용기준이시급히필요함. 터널미기압파영향을검토를하도록철도설계기준, 터널설계기준, 철도설계지침및편람에제시되어있으나, 구체적인미기압파허용기준 ( 규제치 ) 를표나하위별표에제공하지않고있음. 따라서이에대한구체적인허용규제치를제공하여야함. 나. 국외의터널미기압파허용기준해설 (1) 국외의터널미기압파허용기준설계적용사례 표 2.3.6 국외의터널미기압파허용기준설계적용사례 구분노선적용기준관련근거 일본신칸센 터널출구 20m 지점에서 50Pa 이하 민가근방 ( 보안물건 ) 에서 20Pa 이하 - 일본산악터널설계시공표준 (2008.04) 독일 ICE 터널출구 50m 지점에서 20Pa 이하 - Micro-pressure waves Korea For DB International(2007.08) 프랑스중국대만 200km/h 이상 고속철도 터널출구 20m 지점에서 50Pa 이하 민가근방 ( 보안물건 ) 에서 20Pa 이하 - 일본산악터널설계시공표준 (2008.04) - 70 -
(2) 일본터널미기압파허용기준 (2008 년개정본 ) 해설 최적터널단면적과콘크리트궤도를제일먼저적용한일본신칸센철도에서 1975년이후에터널미기압파문제를처음으로파악하고, 저감대책에대하여그동안많은연구가수행되어, 현재유럽과중국등을포함하여전세계적으로터널미기압파대책기준은일본기준을준용하고있음. 일본은미기압파크기가기준치를넘을경우에, 터널입구후드 ( 완충공 ) 을설치하도록권장하고있음. 일본신칸센의미기압파허용기준은 2007년도까지터널갱구중심에서 20m 지점에서 20Pa (120dB) 이었는데 2008년도에터널갱구중심에서 20m 지점에서 50Pa (128dB) 로대폭완화되었음. 일본신칸센의미기압파허용기준 (2008년개정 ) 은실제적으로유럽과중국에서터널미기압파대책에대한국제기준으로사용되고있음. 허용기준 50Pa (128dB) 은사람이견딜수있는고통한계값이라, 더완화하기는어려움. (3) 독일 DB 의미기압파허용기준해설 독일 DB의미기압파허용기준은터널갱구중심에서외부로 50m 거리에서측정된미기압파피크값이 20Pa(120dB) 이하로정하고있음. 실제터널미기압파현장시험이나역해석을수행해보면, 터널갱구중심에서 20m 거리에서약 50Pa(128dB 에해당 ) 의피크값이나타나면, 50m 거리에서는약 20Pa의피크값이도출됨. 즉, 일본기준이나독일기준이거의같은결과를도출하게됨. 독일 DB는터널갱구중심에서외부로 50m 거리에서측정된미기압파피크값이 20Pa(120dB) 이상이면미기압파저감대책인후드를설치하도록권장하고있음. (4) 터널미기압파허용기준치의해설 터널미기압파허용기준치의해설 Ÿ 충격성소음또는진동으로나타나는미기압파의음압레벨 50Pa은 128 db( 데시벨, decibel) 에해당되며, 유압드릴 ( 착암기 ) 의소리를바로옆에서듣는상황과비유되며사람의귀가고통을느끼기시작하는소리임. Ÿ 음압레벨 20Pa은 120dB에해당되며, 공항활주로옆에서 747 여객기가이륙하는소리를듣는상황과비유됨. 또한음압레벨 20Pa이초저주파성분 (0Hz ~ 100Hz) 이대부분으로민가에방사되면창문이나문짝을심하게흔들어놓는진동으로나타남. - 71 -
Ÿ 터널미기압파는 100Hz 이하의가청주파수소리와초저주파의진동으로구성되 어있기때문에, 같은음압의실제가청주파수소리와비교했을때는다소작 게들리지만심각한진동을동반함. 그림 2.3.3 데시벨과음압의관계와소리의크기 터널미기압파폭발음의현장시험데이터분석 ( 일본신칸센 ) 그림 2.3.4 터널미기압파주파수분석 : 초저주파성분 Ÿ 터널미기압파는 0Hz ~ 100Hz 의매우낮은저주파성분의소음 / 진동임 - 72 -
Ÿ 터널미기압파는 0.2Hz 부근의초저주파영역에서최대값을나타내는경향이있음. 다. 터널미기압파환경영향평가를위한현장시험계측방법 그림 2.3.5 터널미기압파계측위치 그림 2.3.6 터널미기압파현장시험사례 ( 호남고속철도회룡터널 ) (1) 상기그림에서와같이터널출구면중심에서 20m 위치, 레일상면 1.2m 내외위치에서초저주파마이크로폰이터널중심을바라보게설치함 ( 단, 선로변지장물로인하여 20m 위치에서미기압파측정이불가능할경우에는 50m 위치, 레일상면 1.2m 내외위치에설치하여미기압파가 20Pa 이하일것 ). (2) 터널미기압파를계측하기위해서는초저주파영역에서주파수특성이평탄한초저주파마이크로폰또는미세압력센서를사용하여야하는데 0Hz ~ 1,000Hz 또는 0.2Hz ~ 1,000Hz의계측범위에서주파수특성이평탄한검증된센서를사용하여야하며이에대한이력을보고서에명시해야함. (3) 일반범용저주파마이크로폰이나검증이되지않은범용압력센서는초저주파를계측하지못하거나매우왜곡되게작은값으로계측함. - 73 -
(4) 현장시험에대한인용이나수행보고서에서는계측장비및장비의데이터취득성능, 터널진입속도및열차속도계측방법, 열차전두부제원, 열차첫번째차량의최대투영단면적, 열차 / 터널의유효단면적비, 터널갱문형상및제원, 터널연장, 콘크리트 / 발라스트궤도형식, 터널내시설물 ( 사갱, 수직갱댐퍼의통풍유효단면적, 기재갱사양등 ), 터널갱문도면에서계측위치상세, 터널출구외부주변지형환경에대한사진과상세 ( 개활지또는 V-컷사면기울기 ), 계측시의대기압및온도등의날씨, 터널내열차교행여부에대한기록이포함되어야함. 라. 터널미기압파환경영향평가해석프로그램의신뢰도검증방법 그림 2.3.7 터널미기압파환경영향평가해석프로그램의신뢰도검증사례 (1) 터널미기압파환경영향평가를수행하기위해서는터널미기압파계측전용초저주파마이크로폰또는미세압력센서로국내외터널현장시험계측실험데이터로검증된해석프로그램을사용하여야하며, 적어도고속열차 3개이상속도별로 3개터널연장에대하여각각미기압파피크값을상호비교하여제출하여야함. (2) 해석프로그램의신뢰도를증명할현장실험데이터는미기압파의피크값 ( 최대값 ) 이허용기준치 ( 터널출구 20m 위치에서 50Pa) 보다높게나온국내외철도현장의실험데이터들도약 50% 포함되어야함 ( 터널출구면부근에서의시간에대한압력구배비교로만은신뢰도를검증할수없다 ). (3) 터널미기압파환경영향평가해석보고서에는터널진입속도, 열차전두부제원, 열차첫번째차량의최대투영단면적, 열차 / 터널의유효단면적비, 터널갱문형상및제원, 터널연장, 콘크리트 / 발라스트궤도형식, 터널내시설물 ( 사갱, 수직갱댐퍼의통풍유효단면적, 기재갱사양등 ), 터널갱문도면에서환경영향평가위치상세, 터널출구외부주변지형환경에대한상세 ( 개활지또는 V-컷사면기울기 ), 해석시의대기압및주변온도값, 해석방법에대한설명, CFD 해석시사용한경험 - 74 -
상수값, 경험식을사용할경우에는경험상수값의설명이포함되어야함. (4) 상기와같이검증된해석프로그램만이환경영향평가를수행할수있도록발주처에서는터널설계발주시에해석프로그램의신뢰도검증보고서를제출받아야하며, 검증절차자문위원회를개최하여야함. 터널미기압파환경영향평가가완료되면이에대한자문위원회도개최하여야함. 3. 국내외설계정책동향 가. 일본신칸센의최초터널미기압파폭발을발생실태와의비교 1964년, 최초로운행시작한도카이도신칸센은발라스트궤도적용 1975년 3월, 산요신칸센오카야마 -하카타구간에처음콘크리트슬라브궤도적용 ( 유지보수를간소화하기위해 PC 슬라브궤도개발적용함 ) 1975년 3월, 산요신칸센의개통을위한시운전시험에서뜻하지않게터널출구에서폭발음 ( 미기압파소닉-붐 ) 발생됨. 일본 JR과신칸센건설국에서는실태해명을위해조사위원회를구성하여 1976년도에터널미기압파실태보고서발간 ( 새로운환경문제대두 ) 도카이도신칸센과터널단면적 (63.4m 2 ) 과열차진입속도 200km/h 는같고발라스트궤도를슬라브궤도로만변경하였는데폭발음발생됨. 터널주변민가에폭발음과, 심한경우는주택의유리창을진동시켜서파손시킴 참고문헌 ( 일본터널미기압파실태조사보고서 ): 小沢智, 森藤良夫, 前田達夫, 木下真夫 : トンネル出口微気圧波の実態, 鉄道技術研究報告, 1023(1976) 표 2.3.7 콘크리트궤도적용터널의폭발음발생사례 (1975 년 ) 와비교로분석 / 평가 구분 산요신칸센 최고운행속도운행열차터널단면적 200km/h (1975 년 ) 0 계, 100 계고속열차 열차단면적 터널단면적에대한열차단면적비율, B 63.4m² 12.6m² 0.199 미기압파허용기준치를초과하는열차속도 210km/h ( 터널연장 4km 이하 ) 200km/h ( 터널연장 4km~8km) 중앙선단선터널 250km/h EMU-250 40m² 11.48m² 0.287 200km/h보다매우낮은속도 중앙선복선터널 250km/h EMU-250 66m² 11.48m² 0.174 215km/h보다약간높은속도 터널미기압파폭발음이발생되는열차진입속도는터널연장에따라차이가있음. - 75 -
검토결과 Ÿ 일본신칸센의최초터널미기압파폭발을발생실태와의비교에서국내 250km/h급신선의단선터널들에대해서는미기압파가매우크게발생될것으로판단됨. 특히 250km/h급중앙선도담-영천철도단선터널 (40m 2 ) 은일본의신칸센터널단면적보다 2/3 수준으로작고, 열차운행속도도 50km/h가더높기때문에터널미기압파폭발음이매우크게발생될것으로명확히판단됨. 나. 상업운행으로검증된국외설계사례와의비교 표 2.3.8 상업운행으로검증된국외설계사례에의한복선터널사양비교표 운행속도노선명복선터널단면적 미기압파허용기준 미기압파저감후드 260km/h 신칸센 63.4m² ~ 66m² 있음적용 한국 250km/h 중앙선등 66m² 없음미적용 검토결과 Ÿ EMU-250 차량의투영단면적이신칸센차량투영단면적보다더크게제작되기때문에실제적으로일본신칸센과비슷한상황임. 따라서연장 1km이상터널에대해서는엄밀한환경영향평가를통하여미기압파저감후드를적용하여야함. 표 2.3.9 상업운행으로검증된국외사례에의한단선터널사양비교표 < 최고속도 250km/h 인경우 > 국가운행속도노선명복선터널단면적 미기압파허용기준 미기압파저감후드 독일 250km/h Karlsruhe- Basel 신선 62m² 있음적용 한국 250km/h 중앙선등 66m² 없음미적용 < 최고속도 200km/h 인경우 > 국가운행속도노선명복선터널단면적 미기압파허용기준 미기압파저감후드 중국 200km/h 수이유고속철도 48.6m² 일본기준적용적용 한국 250km/h 중앙선등 66m² 없음미적용 - 76 -
검토결과 Ÿ 국내 250km/h급과 200km/h급신선의단선터널들에대해서는미기압파가매우크게발생될것으로판단됨. 특히 250km/h급신규철도는독일의터널표준단면적보다 2/3 수준이기때문에터널미기압파폭발음이매우크게발생될것으로예상됨. 표 2.3.10 폭발음발생동영상터널에의한미기압파영향비교표 진입속도노선명터널단면적터널명터널길이폭발음 260km/h 도호쿠신칸센 63.4m² 제 2 오오츠키 260m 크게발생됨 일본 260km/h 도호쿠신칸센 63.4m² 후쿠시마 11.7km 크게발생됨 한국 250km/h 중앙선등 66m² 전체터널전체연장 매우크게발생확실 일본도호쿠신칸센의제 2 오오츠키터널과후쿠시마터널의미기압파폭발음발생동영상 파일은별첨함. 검토결과 Ÿ 일본도호쿠신칸센의터널미기압파의폭발음발생동영상과비교해보았을때, 국내중앙선등의 250km/h급단선터널에서는터널단면적과열차진입속도등의설계사양이심하게충족하지못하므로미기압파폭발음이국제기준치이상으로매우크게발생될것으로확실시됨. 다. 대만고속철도사례 대만고속철도는최고운행속도가 300km/h( 설계속도 350km/h) 이고, 터널단면적은 90m² 이고, 시종점역가까이나 300km/h 운행속도를낼수없는구간은터널단면적을 80m² 이하까지축소하여건설함. 대만고속철도는터널내공단면적 90m 2 와콘크리트궤도채택에따른영향으로터널미기압파가발생함. 이에대한저감대책으로 3km 이상의터널과터널연장 3km 이하인경우에도터널갱구주변에민가가있는경우에는미기압파저감후드를설치함. 터널후드는터널단면적의 1.5배로설계하였으며, 길이는최소 20m이상으로함. 후드에는각각단면적 10m 2 이상의통풍공 (air shaft) 을 2개씩설치함 ( 그림 2.3.8 참조 ). - 77 -
그림 2.3.8 대만고속철도터널입구후드 (2006 년 ) 라. 중국신선사례 (1) 중국 200km/h 급신선사례 중국의최고속도 200km/h 의일반철도신선에설치된터널미기압파저감후드는일본신칸센의창문형후드를설치함. 후드가설치된사례로송린바오 (Songlinbao) 터널은단선터널 (48.6m 2 ) 이며, 콘크리트궤도를적용하였고, 터널진입속도는 160km/h임. 그림 2.3.9 중국일반철도송린바오 (Songlinbao) 터널갱구의미기압파저감후드 (2) 중국 300km/h 급신선사례 그림 2.3.10 중국양측 5 개창문형후드 ( 京滬高鐵西渴馬一号隧道 ) - 78 -
그림 2.3.11 중국상부 2 개창문형후드 그림 2.3.12 중국상부 4 개창문형후드 그림 2.3.13 중국단선병렬터널의상부통풍관형후드 - 79 -
마. 독일 ICE 신선사례 독일고속철도의 Nuremberg-Ingolstadt 신선에서 2005년 12월에 ICE S, ICE 3 고속열차로열차속도 300km/h 로시험운행을개시하자마자연장 7.7km인 Euerwang 터널과연장 7.26km인 Irlahüll 터널갱구에서심각한미기압파방사 (sonic boom) 문제가발생함. 그림 2.3.14 독일 Euerwang 터널의남쪽민가지역 이러한터널출구미기압파방사는터널출구로부터 1km 떨어진거리까지영향을끼쳐서명확히들리는상황이었다. 이터널들은복선터널이고터널단면적이 92m 2 임. 당초에발라스트궤도로건설되도록계획되어있었으나터널굴착공사가완공된후에콘크리트궤도로설계변경되어이러한문제가발생함. 문제가되는 2개소의터널갱구로부터가장가까운공공장소는 50m 거리에있는작은도로이고, 민가는 1km 떨어진위치에있었다 ( 그림 2.3.14 참조 ). 독일의경우에그동안 300km/h 까지의상업운행에서발라스트궤도를적용한터널 ( 터널단면적 92m 2 ) 에서는터널출구미기압파방사의환경소음이문제되지않았다. 이는발라스트궤도를사용하면압력파의압력기울기가감쇄되어터널출구에서방사되는미기압파가약해지기때문임. 그러나콘크리트궤도를적용하면반대로압력파의압력기울기가더욱증폭이되어미기압파가크게발생됨. 독일 Nuremberg-Ingolstadt 신선의벨-마우스 (45도경사갱구 ) 터널갱문은미기압파를어느정도감소시켜주는데도불구하고미기압파문제가심각하게발생함 ( 그림 2.3.15 참조 ). - 80 -
그림 2.3.15 독일신선의 Euerwang 터널의벨마우스갱문 ( 남쪽갱구 ) 과터널갱구 부근의 A9 도로 ( 갱문으로부터 50m 거리임 ) 그림 2.3.16 독일 ICE3 노선을위한슬롯형 터널미기압파저감후드 ( 독일 DLR) 그림 2.3.17 독일 ICE3 노선을위한 터널미기압파저감후드 성능평가열차주행시험기 ( 독일 DLR) 독일은 Nuremberg-Ingolstadt 신선에서콘크리트도상인터널에서미기압파문제가심각함을인식하고, ICE 신선에적용할터널미기압파저감후드를선정하기시작함. 그림 2.3.16과그림 2.3.17은독일 ICE 신선에설치할슬롯형 터널미기압파저감후 - 81 -
드 의성능평가열차주행시험을보여주고있음. 1/25 축척시험장치이며, 후드모델은 2.67m( 실척 : 66.75m) 이고터널모델은 10m( 실척 : 250m) 길이임. 3량 1편성의 ICE3 열차모델의최고속도는 360km/h 임. 독일은일본과같은창문형후드를사용함이고볼수있음. 즉, 일본신칸센터널미기압파저감후드를약간변형시킨후드디자인임. 창문의위치를상부쪽으로이동하여도공기역학적성능은똑같이발휘됨 ( 그림 2.3.18 참조 ). (1) 독일 Karlsruhe ~ Basel 신선 ( 설계속도 : 250km/h) 의사례 (a) 단선용상부슬롯형후드 (b) 최종시공된후드내부 그림 2.3.18 독일 Katzenberg Tunnel( 연장 9.385 km) 의북쪽갱구에설치한슬롯형터널 미기압파저감후드 그림 2.3.18(a) 는독일 Katzenberg Tunnel( 연장 9.385km, 터널내공단면적 62m 2 ) 의북쪽갱구에설치된슬롯형터널미기압파저감후드 ( 후드길이 50m) 의초기설계안임 Katzenberg Tunnel이단선병렬터널이기때문에상부천정슬롯을측벽으로옮겨서그림 2.3.18(b) 와같이단선병렬터널에서 2개의터널이같이사용하도록함. 그림 2.3.19 독일 Katzenberg Tunnel( 연장 9.385 km) 의북쪽갱구에설치된슬롯형터널 미기압파저감후드 ( 후드길이 50m) 독일 Katzenberg Tunnel( 연장 9.385km) 은단선병렬터널이며, Karlsruhe 와 Basel 사이 - 82 -
의신선에위치한터널임. 이터널북쪽갱구에는그림 2.3.19와같이슬롯형미기압파저감후드가설치됨. Karlsruhe ~ Basel 신선은운행속도 250km/h 이고 2012년 12월에개통함. 도담-영천신선과같은설계사양임. 그림 2.3.20는독일 ICE 신선 Katzenberg Tunnel( 연장 9.385 km) 의남쪽갱구에적용된상부슬롯형후드임. 그림 2.3.20 (a) 는상부슬롯형후드 ( 남쪽갱구 ) 의전체모습이고, 그림 2.3.20 (b) 는상부슬롯형후드를현장에시공한사진임. (a) 상부슬롯형후드 ( 남쪽갱구 ) (b) 상부슬롯형후드의시공모습 그림 2.3.20 독일 Katzenberg Tunnel( 연장 9.385 km) 의남쪽갱구에설치된슬롯형터널 미기압파저감후드 독일 Katzenberg Tunnel( 연장 9.385 km) 은그림 2.3.21 (a) 에서와같이터널종방향으로 500m마다승객탈출용횡갱 (cross passage) 이 19개소설치되어있는데, 이횡갱의방화문은횡갱안쪽으로설치하여 500m마다터널단면적변화가되도록하여압력파가어느정도소산되도록설계함. 즉터널단면적이 500m마다확폭이됨. 즉터널내공단면적이커지는효과를적용하였으며, 횡갱의방화문위쪽에댐퍼를설치할경우에는터널내의압력변동량과터널출구의미기압파의감쇄효과가매우커진다. - 83 -
(a) 독일 Katzenberg Tunnel 종단면도 : 500m 마다횡갱을 19 개설치 (b) 시운전시험및터널방재훈련 ((2012 년 12 월 9 일개통 ) 그림 2.3.21 독일 Katzenberg Tunnel( 연장 9.385 km) 의전체개요도 - 84 -
(a) 상부슬롯형후드 ( 북쪽갱구 ) (b) 상부슬롯형후드 ( 남쪽갱구 ) 그림 2.3.22 설계속도 250km/h 의독일 Rastatt Tunnel( 연장 4.270 km) 의갱구에설치되는슬롯형터 널미기압파저감후드 ( 단선병렬터널내부 500m 마다횡갱 7 개설치, 2013 년착공함 ) - 85 -
(a) 터널방재대책 (b) 터널내사고시승객피난탈출동선그림 2.3.23 독일 Rastatt Tunnel( 연장 4.270 km) 의승객탈출용횡갱과방재대책 ( 터널내부 500m마다횡갱 7개설치, 2013년착공함 ) 설계속도 250km/h 인독일 Rastatt Tunnel( 연장 4.270 km) 은그림 2.3.22과같이터널입구와출구에각각상부슬롯형후드가설치되고, 단선병렬터널내부 500m마다승객탈출용횡갱이 7개설치되도록설계함 ( 그림 2.3.23 참조요망 ). Katzenberg Tunnel과마찬가지로횡갱 7개소에서터널의확폭효과를주었다. (2) 독일 Erfurt ~ Leipzig/Halle 신선 ( 설계속도 : 300km/h) 의사례 (a) 슬롯형후드 ( 동쪽갱구 ) (b) 슬롯형후드 ( 서쪽갱구 ) 그림 2.3.24 독일 Osterberg Tunnel( 연장 2.082 km) 의갱구에설치된슬롯형터널미기압 파저감후드 ( 터널내부 400m 마다횡갱 4 개설치됨, 2015 년개통예정 ) - 86 -
(a) 슬롯형후드 ( 동쪽갱구 ) (b) 슬롯형후드 ( 서쪽갱구 ) 그림 2.3.25 독일 Bibra Tunnel( 연장 6.466 km) 의갱구에설치된슬롯형터널미기압파 저감후드 ( 터널내부 500m 마다횡갱 13 개설치됨, 2015 년개통예정 ) (a) 슬롯형후드 ( 서쪽갱구 ) (b) 슬롯형후드 ( 동쪽갱구 ) 그림 2.3.26 독일 Fine Tunnel( 연장 6.970 km) 의갱구에설치된슬롯형터널미기압파 저감후드 ( 터널내부 500m 마다횡갱 13 개설치됨, 2015 년개통예정 ) (3) 독일 Ebensfeld - Erfurt 신선 ( 설계속도 : 300km/h) 의사례 독일 Ebensfeld - Erfurt 신선은설계속도 300km/h, 터널내공단면적 92m 2, 콘크리트 궤도를적용하였으면 2017 년완공예정임. - 87 -
그림 2.3.27 독일 Bleßberg Tunnel( 연장 8.314 km, 외부연결사갱 8 개소 ) 에설치된슬롯형 터널미기압파저감후드 ( 터널내공단면적 92m 2, 2017 년개통예정 ) (a) 슬롯형후드 ( 남쪽갱구 ) (b) 슬롯형후드 ( 북쪽갱구 ) 그림 2.3.28 독일 Silberberg Tunnel ( 연장 7.391 km, 외부연결사갱 8 개소 ) 의갱구에설치된 슬롯형터널미기압파저감후드 ( 터널내공적 92m 2, 2017 년개통예정 ) 바. 프랑스신선사례 LGV Perpignan-Figueres line에서프랑스와스페인국경에위치한 Perthus 터널은연장이 8.3km이고 2010년 12월에상업운행을시작함. Perthus 터널은콘크리트궤도을적용하였고, 여객열차와화물열차혼용노선임. 단선병렬터널로서 200m마다횡갱 (cross passage) 을설치하여전체 41개소의승객탈출용횡갱이설치되어있고, 4개소의기재갱을설치함. Perthus 터널의양쪽갱구에는 창문형의미기압파저감후드 가각각 2개소씩설치되어있음.( 그림 2.3.29 참조 ) 일본신칸센터널미기압파저감후드를약간변형시킨후드디자인임. 창문의위치를상부쪽으로이동하여도공기역학적성능은똑같이발휘됨. - 88 -
그림 2.3.29 Perthus 터널갱구의창문형미기압파저감후드상세모습 그림 2.3.30 프랑스미기압파저감후드 : 시계방향으로후드전면경사각모습, 후드내부 에서의창문모습, 후드시공모습 그림 2.3.31 프랑스 Tartaiguille 터널, Roque-Rousse 터널등의터널입구후드 - 89 -
사. 최근일본신칸센의설계사례 (a) 강재구조터널갱구후드 (b) 반대편터널갱구 ( 미기압파발생지역 ) 그림 2.3.32 일본산양신칸센의강재구조 ( 데크플레이트 ) 의터널입구후드 그림 2.3.33 일본큐슈신간센터널입구후드 (2011 년 ): 콘크리트로시공한후드 일본큐슈지역에신칸센운행을위하여발생되는터널출구의미기압파에따른환경소 음을감소하기위하여설치된미기압파저감용터널후드를견학하여전문가로부터관 련기술을수집할수있었다 (2012 년 3 월 ). 터널후드는공장에서형태에따라형상을제 - 90 -
작한후현장에서단지조립에의해형성됨 ( 프리캐스트공법 ). 터널끝단에외부로도출되어형성된터널후드는터널의반경보다는큰형태를가지고있었으며터널끝단에틈새없이부착되어설치되어있었다. 후드의형상은끝단이비스듬하지않고수직으로절단되어있었으며, 조사한바에따르면큐슈신칸센고속선에사용되는후드는모두같은형태를가지고있음. 후드의측면에길이방향을따라설치되어있는개폐조절가능용창문은미기압파의특성에따라현장에서조정이가능하도록설계되어있음. 터널을통과하는지역과주행속도에맞추어발생되는미기압파를현장시험을통해서계측하고이에결과를통해창문의개폐위치와크기를결정하여주행특성에따라변경이가능한구조특성을가지고있음. 다음그림들은일본큐슈신칸센의콘크리트구조의미기압파저감후드상세도면임. 그림 2.3.34 일본큐슈신칸센의창문형후드상세사양 : 콘크리트구조의터널입구후 드도면 ( 치쿠시터널에설치, 창문형후드 ) - 91 -
그림 2.3.35 일본큐슈신칸센의창문형후드위치도 : 치쿠시터널에설치된터 널입구후드위치도 ( 후드길이 : 24m) 그림 2.3.36 일본큐슈신칸센치쿠시터널의터널단면도 ( 직선복선터널 ) - 92 -
그림 2.3.37 일본동북신간센의미기압파저감용터널입구 창문형후드 의 상세사진 (1998 년형으로추정됨 ) (a) 후드상부의압력경감통풍구 (b) 후드측벽의압력경감창문의상세 그림 2.3.38 일본동북신칸센의제형터널입구후드의상세 (2009 년형 ) 운행속도 200km/h 이상의고속철도에서터널미기압파저감후드대책은시공비가저 렴하며, 궁극적으로최적설계의터널단면적에서적용되기때문에최선의터널건설비 - 93 -
절감방법임. 아. 일본신칸센의터널연장에대한후드설치사례 일본신칸센은다음의위성사진과같이터널연장 200m 급터널에도미기압파저감후드 를설치하고있음.( 일본도후쿠신칸센, 터널내공단면적 63.4m 2 ). (a) 히라이시의신칸센터널 b) 나카시마의신칸센터널 그림 2.3.39 일본도후쿠신칸센의 200m 급터널의미기압파저감대책사례 ( 후쿠오카현 ) - 94 -
그림 2.3.40 일본후쿠오카현니혼마쯔히라이시부근신칸센터널 ( 위성사진 ) 그림 2.3.41 일본후쿠오카현나카마시부근의신칸센터널 ( 위성사진 ) 구글 (Google) 위성지도에서최대해상도로확대하면보면, 적용된후드의기본사양은 확인할수있음. 자. 궤도구조방식과터널연장에따른터널미기압파의크기 - 95 -
그림 2.3.42 일본산양신칸센오히라야마터널 ( 연장 6.64 km, 콘크리트궤도 ) 에설치된 장대터널용터널입구후드 ( 후드길이 49m) 그림 2.3.43 터널입구후드의효과 ( 후드길이 49m) - 96 -
500 333 167 미기압파최대값 (Pa) 100 83 67 50 33 17 10 7 슬라브궤도 (1165m) 슬라브궤도 (6822m) 3 발라스트궤도 (723m) 발라스드궤도 (3989m) 2 160 180 200 220 240 260 280 300 열차진입속도 (km/h) 그림 2.3.44 일본신간선터널에서열차진입속도에따른미기압파최대값 ( 현장 시험데이터, 터널출구중심으로부터 20 m 지점 ) 그림 2.3.42과그림 2.3.43의일본산양신칸센오히라야마터널 ( 복선터널, 터널내공단면적약 63.5m 2 ) 사례에서알수있듯이, 장대터널에서는미기압파저감후드 ( 완충공 ) 의연장이길어지게됨. 이유는그림 2.3.44의일본신칸센현장시험데이터의그래프에서볼수있듯이, 발라스트궤도인경우는터널연장이길어지면터널출구에서방사되는미기압파가감쇄되지만, 콘크리트궤도 ( 슬라브궤도 ) 인경우는터널이길어질수록압력파기울기가가파르게증폭이되어터널출구에서의미기압파가매우크게발생됨. 장대터널의경우에, 발라스트 ( 자갈 ) 궤도보다콘크리트궤도에서터널출구미기압파가 20배정도크게발생됨 ( 그림 2.3.44 참조요망 ). 같은콘크리트궤도터널의경우에 1km급터널보다 7km급터널에서터널출구미기압파가 5배정도크게발생됨 ( 그림 2.3.44 참조요망 ). - 97 -
차. 한국호남고속철도증속구간후드설치사례 그림 2.3.45 호남고속철도우산터널의통풍관형후드 호남고속철도 400km/h 급증속구간인우산터널시점에 한국형터널미기압파저감후 드 를한국철도기술연구원에서개발하여설치완료됨 (2013 년 8 월 30 일완공함 ). 하. 호남고속철도증속구간의터널미기압파현장시험결과검토 (1) 터널미기압파현장시험개요 그림 2.3.46 터널미기압파측정전경 ( 회룡터널출구 20m 에서의미기압파계측 ) - 98 -
그림 2.3.46 호남고속철도회룡터널시점의계측시스템배치도 (2) 터널미기압파현장시험결과 그림 2.3.47 열차진입속도에따른터널출구에서의미기압파피크값 (HEMU-430X, KTX- 호남 )] - 99 -
호남고속철도증속구간에서 HEMU-430X 고속열차로비교적짧은터널인회룡터널 (550m) 출구외부 20m지점에서터널미기압파를측정 터널진입속도 342km/h 에서 51Pa의터널미기압파가방사되었음. 국제기준으로참고하고있는일본기준이터널출구 20m지점에서 50Pa 이하로권고하고있는데열차진입속도 342km/h 에서이수치를넘고있음. 고속철도에서콘크리트궤도를적용한터널은터널연장이길어질수록미기압파는열차진입속도의 3승이상으로비례하여크게증가함. 4. 분석결과에따른시사점 경부 / 호남고속철도는터널진입속도대비터널내공단면적이매우크기때문에 터널미기압파 라는폭발음발생문제가없음. 한국, 유럽, 중국, 일본등에서는앞으로신규철도건설에서유지보수와하중문제로콘크리트궤도를적용하고있는데, 콘크리트궤도에서는터널출구폭발음이더크게증폭이됨. 고속철도보유국들은터널건설비와유지보수비용을저감시키고자터널내공단면적을슬림화하고콘크리트궤도를적용하고있는데, 이때나타나는문제점인터널출구폭발음을터널갱구에설치하는 미기압파저감후드 로해결하고있음. 일본뿐아니라 2008년이후로독일, 프랑스, 중국등은철도터널건설비를최소화하고자 미기압파저감후드 를터널설계에반영하였음. 구분 최고운행속도운행열차터널단면적 열차단면적 터널단면적에대한열차단면적비율, B 미기압파허용기준치를초과하는열차속도 산요신칸센 200km/h (1975 년 ) 0 계, 100 계고속열차 63.4m² 12.6m² 0.199 210km/h ( 터널연장 4km 이하 ) 200km/h ( 터널연장 4km~8km) 중앙선단선터널 250km/h EMU-250 40m² 11.48m² 0.287 200km/h보다매우낮은속도 중앙선복선터널 250km/h EMU-250 66m² 11.48m² 0.174 215km/h보다약간높은속도 터널미기압파폭발음이발생되는열차진입속도는터널연장에따라차이가있음. 국외미기압파폭발음발생사례와의비교 - 100 -
Ÿ 일본신칸센의최초터널미기압파폭발을발생실태와의비교에서국내 250km/h급신선의단선터널들에대해서는미기압파가매우크게발생될것으로판단됨. 특히 250km/h급중앙선도담-영천철도단선터널 (40m 2 ) 은일본의신칸센터널단면적보다 2/3 수준으로작고, 열차운행속도도 50km/h가더높기때문에터널미기압파폭발음이매우크게발생될것으로판단됨. 국내에터널출구미기압파허용기준필요 Ÿ 산악이많은국내의지형환경에서, 철도터널건설비 / 운영비를최적화하기위하여콘크리트궤도적용과터널내공단면적을최소화하는과정에서환경적인측면으로나타나는터널출구폭발음의소음 진동문제에대한터널미기압파허용기준필요. Ÿ 특히, 중앙선도담-영천단선터널은터널단면적이 40m 2 로세계최소단면적에서 250km/h의운행속도로설계되어미기압파허용기준이시급히필요함. Ÿ 국내고속철도의해외수출을고려하여, 국제기준에부합하는미기압파허용기준 ( 규제치 ) 정립이시급히필요함. 4 절연구개발인프라분석 1. 터널미기압파관련연구기관현황 표 2.4.1 철도터널미기압파평가및저감대책관련연구기관 연구기관 한국철도기술 연구원 Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 연구기관기술수준고속열차및철도터널공기역학기술개발터널미기압파환경영향평가해석및시험기술개발터널미기압파저감대책기술개발터널미기압파저감형전두부기술개발터널주행시승객이명감저감대책기술개발 400km/h급고속열차및인프라기술개발 500km/h급고속철도기술개발철도터널환기및방재기술개발첨단신소재적용기술개발미래수송시스템차량및인프라기술개발초고속튜브열차개발초고속튜브열차시스템엔지니어링및시험평가기술개발 한국건설기술 연구원 Ÿ SMART 터널 Observation Expert System 개발 Ÿ 지하공간환경개선및방재기술연구사업 ( 지하구조물재해손상대응기술 ) 한국항공기술 연구원 Ÿ 고속열차전두부저저항설계풍동시험기술 - 101 -
표 2.4.2 터널미기압파관련해외기관현황 연구기관일본 RTRI (Railway Technical Research Institute) 독일 DBR (Deutsche Bahn Research) 독일 DLR (German Aerospace Center) 프랑스 SNCF 중국 Central South University (Key lab. for track traffic safety of Ministry of education ) 영국 Dundee Research 영국 University of Manchester 네덜란드 NLR (National Aerospace Laboratory) Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 연구기관기술현황고속열차및철도터널공기역학기술개발터널미기압파환경영향평가해석및시험기술개발터널미기압파저감대책기술개발터널미기압파저감형전두부기술개발터널주행시승객이명감저감대책기술개발 500km/h급고속철도기술개발고속열차및철도터널공기역학기술개발터널미기압파환경영향평가해석및시험기술개발터널미기압파저감대책기술개발터널미기압파저감형전두부기술개발터널주행시승객이명감저감대책기술개발 500km/h급고속철도기술개발고속열차및철도터널공기역학기술개발터널미기압파환경영향평가해석및시험기술개발터널주행시승객이명감저감대책기술개발 400km/h급고속철도기술개발고속열차및철도터널공기역학기술개발터널미기압파환경영향평가해석및시험기술개발터널주행시승객이명감저감대책기술개발 400km/h급고속철도기술개발고속열차및철도터널공기역학기술개발터널미기압파환경영향평가해석및시험기술개발터널주행시승객이명감저감대책기술개발고속열차및철도터널공기역학시험평가기술개발터널미기압파환경영향평가시험기술개발 2. 터널미기압파관련 R&D 인프라현황 고속철도보유국에서는터널미기압파 ( 폭발음 ) 를저감시키기위하여터널갱구에 미기압파저감후드 를적용하는데, 이후드를개발하고성능검증하기위하여열차모델을실제속도로주행시켜서터널출구에서의미기압파저감성능을파악하는터널주행열차모델주행시험기 (Moving Model Test Rig) 를보유하고있음. 다음은철도선진국에서보유하고있는주행시험기임. 그림 2.4.1 독일 DLR 의열차모델주행시험기 ( 최고속도 360km/h, 1:25 축척시험기 ) - 102 -
그림 2.4.2 영국 MU 의열차모델주행시험기 ( 최고속도 270km/h, 1:25 축척시험기 : 프랑 스 SNCF 와공동사용시험설비 그림 2.4.3 네덜란드 NLR 의열차모델주행시험기 ( 최고속도 300km/h, 1:170 축척시험기 ) 그림 2.4.4 일본철도총합연구소의열차모델주행시험기 ( 최고속도 420km/h, 1:60 축척시험 기 ) - 103 -
그림 2.4.5 중국 CSU 의열차모델주행시험기 ( 최고속도 400km/h, 1:18 축척시험기 ) 그림 2.4.6 한국철도기술연구원의열차모델주행시험기 ( 최고속도 1,060km/h, 1:61 축척시험기 ) 터널미기압파 ( 폭발음 ) 를저감시키기위하여터널입구에 미기압파저감후드 를설치하는데, 이후드를개발하고성능검증하기위하여열차모델을실제속도로주행시켜서터널출구에서의미기압파저감성능을파악하는터널주행열차모델주행시험기 (Moving Model Test Rig) 의보유가필수적임. 한국철도기술연구원의초고속열차모델주행시험기 (1:60축척주행시험장치 ) 는자체독자모델로설계및제작한주행시험장치 ( 특허등록번호 : 10-0367627, 10-0389164, 특허출원번호 :10-2014-0163549) 이며, 2014년에주행장치의초고속피스톤밸브적용으로최고속도 470km/h 에서최고속도 1,060km/h 로성능업그레이드를달성하였음 (3량1 편성기준 ). - 104 -
3. 터널미기압파관련전문가현황 성명소속기술현황관련세부과제참여방안 김희동 안동대학교 터널미기압파이론및수치해석, 충격파압축성유체역학 김찬중서울대학교터널공기역학 CFD 해석 권혁빈 한국교통대학교 터널공기역학 CFD 해석 유지오신흥대학터널공기역학 CFD 해석 조형제 이호석 강현욱 김동현 곽민호 황선근 범창종합기술 비엔텍아이엔씨 비엔텍아이엔씨 한국철도기술연구원 한국철도기술연구원 한국철도기술연구원 표 2.4.3 터널미기압파관련전문가현황및활용분야 터널공기역학설계및해석 터널공기역학설계및해석 터널공기역학설계및해석 터널미기압파이론및실험 터널미기압파실험 저주파소음 / 진동공학 국내고속열차차량특성과철도터널주변환경에대한미기압파민감도연구준고속철도용터널미기압파저감대책실용화기술개발준고속철도용터널미기압파저감대책실용화기술개발 250km/h급고효율후드의실용화구조안정성및공용중시공성향상기술개발 준고속철도용터널미기압파저감대책실용화기술개발 250km/h급고효율후드의공기역학적성능평가및모니터링기술개발 250km/h급고효율후드의공기역학적성능평가및모니터링기술개발준고속철도용터널미기압파저감대책실용화기술개발준고속철도용터널미기압파저감대책실용화기술개발 250km/h급고효율후드의실용화구조안정성및공용중시공성향상기술개발 전문가자문 전문가자문 전문가자문 전문가자문 전문가자문 위탁기관책임자 위탁기관참여 주관기관책임자 위탁과제참여 전문가자문 표 2.4.4 터널미기압파관련해외전문가현황 성명소속기술현황 M. Iida T. Fukuda Railway Technical Research Institute, Japan Railway Technical Research Institute, Japan 터널미기압파이론및실험 터널미기압파이론및실험 M.S. Howe Boston University 터널미기압파이론 T. Aoki Kyushu university 터널미기압파이론및실험 A. Vardy Dundee University, UK 철도터널공기역학 Th. Tielkes Deutsche Bahn AG 터널미기압파이론및실험 - 105 -
K.G. Degen Deutsche Bahn AG 터널미기압파이론및실험 M. Hieke Deutsche Bahn AG 터널미기압파이론및실험 Prof. Baker University of Manchester, UK 철도터널공기역학 Xin-tao Xiang Shanghai Jiao Tong University, China 3 차원수치해석기술 Tang-hong Liu Central South University, China 터널미기압파이론및실험 Hong-qi Tian Central South University, China 터널미기압파이론및실험 Xi-feng Liang Central South University, China 터널미기압파이론및실험 * 은퇴자는제외함 - 106 -
5 절국내외기술수준분석 1. 터널미기압파환경소음 / 진동문제의관심 미기압파문제는 2004년도까지주로일본에서만크게관심을가져왔고, 다음과같은이유로일본철도에서만문제가되어왔음. Ÿ 터널건설의적용형태 : 콘크리트궤도, 더작은터널내공단면적적용. Ÿ 유럽보다더빠른신칸센열차. Ÿ 유럽보다는고속철도부근에더밀집한거주지. 2006년, 독일에신선이 Nuremberg-Ingolstadt 사이에건설되고, 첫번째시운전시험 (300km/h) 동안에 2개소의장대터널갱구에서매우큰폭발음이발생됨 (Euerwang 터널과 Irlahull 터널 : 내공단면적 92m 2 ). Ÿ 발라스트궤도에서콘크리트궤도로의설계변경이이러한미기압파폭발음을야기하였음. Ÿ 유럽에서는앞으로신선건설에서유지보수와하중문제로콘크리트궤도가적용될것임. Ÿ 유럽에서는안전상의이유와터널내공단면적이더작은단선병렬터널로건설될것임. 한국과유럽에서는앞으로이러한터널미기압파문제에대한실제적인고민이계속될것임. 2. 신규고속철도의터널미기압파저감대책방향 2011년부터완전개통으로상업운행을시작한일본큐슈신칸센의경우에최고운행속도가 260km/h 인데복선터널내공단면적이 63.5m 2 임. 일본신칸센터널내공단면적은 63.5m 2 로도담-영천노선의터널들이일본신칸센터널내공단면적보다약 2.5m 2 정도크게설계되었음 ( 터널내공단면적이 3.4% 차이임 ). 일본큐슈신칸센은터널미기압파저감후드 ( 완충공 ) 를터널입출구에설치하였음. 터널입구후드는영구구조물이고유지보수가필요없는저렴한대책임. 도담-영천철도노선기본계획의터널들은터널입 출구미기압파저감대책이필요함. 세계최초고속철도로 1964년도에일본신칸센이개통하면서 200km/h로운행을시작하였음. 신칸센터널의내공단면적은 63.5m 2 를적용하였는데, 1975년도부터터널내부에콘크리트궤도를적용하면서터널출구미기압파문제가크게발생되어주변민가에충격성소음및진동의피해를입혀, 그당시에큰사회적이슈가되었고, 이에터널입구후 - 107 -
드 ( 완충공 ) 을적용하여해결하였음. 터널출구미기압파의크기는열차운행속도의 3승에비례함. 도담-영천 ( 원주-강릉 ) 노선에서복선터널의직선구간내공단면적이 65.74 m 2 고최고운행속도가 250km/h 이면, 일본신칸센사례에서알수있듯이터널입구미기압파저감대책을적용해야함 ( 일본신칸센과약 2m 2 (3.4%) 의근소한터널단면적차이임 ). 터널미기압파저감대책을검토하기위한터널단면은직선터널단면도가기준임. 도담-영천노선의터널내공단면적이 37.45m 2 ~ 39.34m 2 인단선터널들도전부터널미기압파저감대책을적용해야함. 최근에한국철도시설공단은전체철도건설비와운행중의유지보수비용을절감하기위하여교량, 노반폭, 터널내공단면적등을전부최적설계하고콘크리트도상을적용하고있음. 열차주행시의터널내부의공기압변동량과객실내의이명감 (ear-discomfort) 은그동안의다양한터널내공단면적에서의현장실험으로얻은벽면마찰계수, 압력계수값등을사용하여수치해석적방법으로잘예측하여설계할수있음 ( 영국 Alan Vardy의 ThermoTun S/W 등 ). 독일 (DB) 과일본 (RTRI) 의경우에터널미기압파대책적용여부에대한검토를그동안축척된현장실험의미기압파실험데이터를근간으로한역해석 ( 실험데이터 db 활용 ) 으로미기압파저감대책적용여부를판단함. Ÿ 특성곡선방정식해법이나전산유체역학 (CFD) 의수치해석방법으로는터널출구에서방사되는미기압파최대값크기예측에서오차가매우크고, 해석결과가잘맞지않기때문에실험데이터를근간으로역해석방법을사용함. 터널출구에서외부로방사되는미기압파폭발음을해석하기위한각종이론식이나경험식또는 2차원, 3차원 CFD 해석방법이발표되고있으나, 현재까지실효성있게예측을못하여실질적인설계엔지니어링에는활용하지않고있음 ( 독일, 일본등 ). 단, 3차원 ( 또는준 3차원 ) CFD 해석방법은상호보완적인해석방법으로활용하고있음. 2005년, 독일 ICE Nurember-Ingolstadt 신선의 300km/h 시운전시험에서콘크리트궤도와터널단면적 92m 2 터널에대하여미기압파가발생되지않는다는 2003년도의독일 DBR의이론경험식해석결과로독일은미기압파대책을세우지않았지만, 실제는대단한폭발음이발생함. 이후, 독일 DBR도일본철도총합기술연구소 (RTRI) 와같은현장시험데이터뱅크에의한역해석방법으로터널미기압파환경영향평가방법을교체함. 국내에는최근까지설계엔지니어링을할수있는터널미기압파한계치가터져나오는현장이없기때문에현장시험데이터뱅크를구축할수없었고, 초저주파특성에대하여검증되지않은센서로터널미기압파를계측한사례도있음. - 108 -
한국철도기술연구원은일본 RTRI 에서 17 년동안의신칸센현장시험데이터뱅크를입 수하여역해석방법으로터널미기압파환경영향평가를수행하고있음. 표 2.5.1 철도선진국의터널미기압파환경영향평가방법 용역주체국내고속철도적용된평가방법 철도시설공단에제출된용역보고서 일본, Japan Railway Technical Services 경부고속철도환경영향평가수행 현장시험데이터뱅크에의한역해석방법 The final report of micro-pressure wave study for the Seoul-Pusan high-speed railroad project (1994.12) 1 독일 DBR 호남고속철도환경영향평가수행 현장시험데이터뱅크에의한역해석방법 Micro-pressure waves Korea For DB International (2007.08) 주 1: ( 사 ) 대한터널협회, 1995,08, 경부고속철도제 8 공구, 제 11 공구터널내공기압 해석보고서 의사전국외검증용역으로제출됨 터널설계엔지니어링에서터널미기압파환경영향평가가신뢰할수있는수준으로수행되기위해서는, 해석 S/W가미기압파폭발음이터져나오는현장시험데이터와의비교로사전검증이되어야됨 ( 각종문헌에현장시험데이터들은많이공개되어있음 ). 예를들어 250km/h급신선에대해서는 180km/h ~ 260km/h의속도범위에서 4개속도에대하여짧은터널, 중간터널, 장대터널을대상으로검증이되어야설계엔지니어링해석 S/W로서검증될수있음. 현재까지터널설계엔지니어링에서검증이안된해석 S/W가사용된사례가있음. 일본 (RTRI, JR-East, JR-West) 과독일 (DBR), 프랑스 (SNCF) 등은민간용역업체가아닌철도전문연구기관에서터널미기압파환경영향평가설계엔지니어링과터널미기압파저감대책 ( 후드대책 ) 마련을수행하고있음. 철도선진국에서민간용역업체가아닌철도전문연구기관에서터널미기압파환경영향평가설계엔지니어링과터널미기압파저감대책마련을수행하고있는이유는다음과같음. Ÿ 철도전문기관만이다년간에걸친현장시험수행으로시험데이터확보가가능하고, 이론적방법으로는완전히규명되지않은미기압파를현장시험데이터뱅크에의한역해석방법으로예측이가능함 Ÿ 터널단면적최적화, 콘크리트궤도적용등의철도시스템통합엔지니어링이가능하기때문에사전대책마련이가능 Ÿ 터널주행열차모델주행시험기가있어야터널입구후드등의미기압파저감대책을마련할수있음 ( 철도전문기관만이보유하고있음 ). 일본 (RTRI, JR-East 연구소, JR-West 연구소 ) 과독일 (DB 연구소 ) 등의철도전문 - 109 -
기관의기술확보현향 Ÿ 터널미기압파환경영향평가역해석 S/W 자체보유함 Ÿ 터널미기압파저감대책인후드등의특허기술권리자체보유함 Ÿ 터널주행열차모델시험기자체보유함 Ÿ 터널설계엔지니어링에참여하고, 기술이전수행함 국가출연기관인한국철도기술연구원 (KRRI) 의기술확보현황 Ÿ 터널미기압파환경영향평가 S/W인 MPIS-BED Code 자체보유함 Ÿ 터널미기압파저감대책특허기술권리자체보유함 ( 개인이특허보유하면징계함 ) Ÿ 터널주행열차모델시험기자체보유함 표 2.5.2 각국의콘크리트궤도터널에대한미기압파저감대책적용현황 구분대만독일일본한국 노선 타이페이 ~ 카오슝 늬른베르크 ~ 인골스타트신선 큐슈신칸센 중앙선도담 - 영천 11 공구 운행속도 300km/h 300km/h 260km/h 250km/h 표준복선터널단면적 90m 2 92m 2 63.5m 2 66.01m 2 궤도구조방식콘크리트궤도콘크리트궤도콘크리트궤도콘크리트궤도 차량전두부초유선형유선형초유선형 - 미기압파저감대책적용함적용함적용함적용함 적용기준검토 Ÿ 일본신칸센의산악터널설계시공표준 Ÿ 일본신칸센의산악터널설계시공표준 Ÿ 독일기준 ( 터널출구 50m에서 20Pa) Ÿ 일본신칸센의산악터널설계시공표준 Ÿ 일본신칸센의산악터널설계시공표준 적용방법검토 Ÿ 연장 3km이상터널에는후드를전부설치 Ÿ 연장 3km이하터널에는후드를민가가있는지역만설치 Ÿ 실질적으로독일기준과일본기준은거리에따라산정하면같은값의허용기준임 Ÿ 터널미기압파환경영향평가와허용기준을적용하여후드설치 Ÿ 터널미기압파환경영향평가와허용기준을적용하여후드설치 - 110 -
표 2.5.3 250km/h 급고속철도에대한터널미기압파저감대책적용현황 구분독일일본한국 노선 Karlsruhe ~ Basel 신선 도호쿠신칸센신선 1 나가노신칸센 ( 죠예츠신칸센 ) 큐슈신칸센 중앙선도담 - 영천 11 공구 설계최고속도 250km/h 260km/h (245km/h) 260km/h 250km/h 표준터널단면적 62m 2 63.4m 2, 65m 2, 66m 2 63.5m 2 66.01m 2 궤도구조방식 콘크리트궤도 콘크리트궤도 ( 발라스트궤도 ) 콘크리트궤도 콘크리트궤도 차량전두부유선형초유선형초유선형미정 미기압파저감대책 적용함적용함적용함적용함 적용기준 일본과독일허용기준 일본신칸센의산악터널설계시공표준 적용방법 - 터널미기압파환경영향평가와허용기준을적용하여후드설치 주 1: 도호쿠신칸센신선 은모리오카에서신아오리까지의노선연장 178.4 km 로 2010 년도에완공 특히, 도담-영천신선의단선터널내공단면적이 40m 2 이하이기때문에미기압파가매우크게발생될것임 ( 단선터널 : 16개소, 복선터널 : 28개소 ). 고속철도에서콘크리트궤도를적용한터널인경우는터널연장이길어질수록압력파의압력기울기가더욱증폭이되어터널출구에서미기압파가매우크게발생됨. 250km/h급고속철도에서는표 2.5.2과표 2.5.3에서각국의고속열차전두부특성에서알수있듯이열차의주행저항을최소화하여운영비용을최소화하는것뿐만아니라, 터널미기압파를저감시키기위해서도가능한초유선형의고속열차를투입하고있음. 미기압파의최대값은열차속도의 3승에비례하여증가하고, 콘크리트궤도에서는터널연장이길어질수록매우크게증가하기때문에, 열차전두부를초유선형으로길게적용하면터널진입시첫번째압력파의압력구배상승을어느정도지연시켜약 10% 내외로추가적으로미기압파를저감시킬수있음. - 111 -
3. 공기역학적성능평가도구에대한기술수준 가. 전산유체해석을위한해석프로그램 (1) STAR-CCM+ STAR-CCM+ 는영국의 CD-Adapco 에서개발한범용 CFD해석코드임. 복잡한비정렬격자에필요한높은수준의정확성을가진산업용유한체적법 (FVM) CFD code로써현재검증된상용코드가운데효과적인수치해석도구중의하나로공학적설계및개발사이클에서요구되어지는계산에많이사용되고있음. STAR-CCM+ 는정상및비정상상태시뮬레이션에서가장높은수준의정확성을달성하기위하여최신기술의독자적인수치기법을사용하며, 뒤틀린사면체격자를포함하여격자의형식과질에가장민감하지않은특성을가지고있음. STAR-CCM+ 는범용 CFD코드중최초로 Moving Mesh기법을도입하여움직이는물체의모사가가능하도록하였으며, 복잡한비정렬격자들에필요한높은수준의 CFD코드로엔지니어링설계개발사이클에의해요구되는다양한해석에적용이가능하여해석에소용되는시간과효율성에장점을갖고있음. 그림 2.5.1 STAR-CCM+ 해석결과예시 (2) CFD-FASTRAN 프랑스 ESI에서개발한소프트웨어로 Moving body, Missile launch, 고기동과 staging, store separation 들을포함한여러복잡한공기역학적문제들의해석이가능한 FVM 코드임. Multiblock 형성이가능하고정렬, 비정렬격자계및혼합격자계구성이가능하며, Moving Body 모델을통하여움직이는물체의해석이가능함. CFD-FASTRAN 의가장큰장점중하나로 physical phenomena 혹은사용자에의한 prescribed moving 문제들을해석할수있으며 6DOF(six-degree-of-freedom) motion으로 Gravity, point force(ejector/small rocket), thrust 등을고려할수있음. - 112 -
그림 2.5.2 STAR-CCM+ 해석결과예시 (3) OPEN FOAM OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) 은영국 Imperial College의 Henry Weller 박사와 Hrvoje Jasak 박사에의해개발된 FVM 전산유체역학 (CFD: Computational Fluids Dynamics) 프로그램이며, GNU GPL ( 일반공중사용허가서 : General Public License) 를부여받은 OpenFOAM 은 2004년부터소스코드가무료로공개되어있음. OpenFOAM 은다른공개소스코드전산유체역학프로그램과는달리객체지향적성격이뚜렷한 C++ 언어를바탕으로작성되었기때문에사용자가프로그램을수정하거나프로그램의변형없이새로운내용을추가할수있음은점에서큰장점을가져전산유체역학연구자들의참여와관심속에꾸준히발전하고있는모델임. OpenFOAM 의특징으로는 C++ 언어의객체지향적인특징을활용하여프로그램내부에서지배방정식을표기하는방식을일반적인수학방정식이표기되는방식과유사하게구현함으로서사용자는모든공학적라이브러리들을모두이해하지못하더라도원하는해석방식에해당되는표준솔버를찾아바로사용하거나표준솔버를기반으로하여수정이나추가를원하는부분만소스코드를변화시켜컴파일후프로그램으로사용할수있음. (4) CFX ANSYS CFX는 CFX-4와 CFX-TASCFlow 를기반으로발전한 FVM CFD (computational Fluid Dynamics) 해석코드임. CFX의특징은 pressure-based coupled algebraic multigrid solver로수렴성이뛰어나며, CFD를해석하기위한선형방정식의정확한해를빠르게구할수있고, coupled multigrid의탁월한해석기법을제공하고있음. - 113 -
현재는 FLUENT 와같은 ANSYS Workbench 내에소속되어기능적인부분에서중복되는 부분이있음. (5) AcuSolve AcuSolve 는 Altair사에서개발된프로그램으로 Galerkin/ Least-Squares(GLS) FEM 기반으로하며 GLS는높은수준의정확도를가지면서도안정된공식화방법으로압력을포함한모든변수에동일차수 nodal 보간을사용함. Moving Mesh기법을포함하고있으며, LES 및 RANS 모델을포함하는난류모델을보유하고있음. (6) FLUENT FLUENT 는 1980년대에개발되어미국 FLUENT 사를거쳐현재 ANSYS사에소속되어있는해석코드임. 터널분야의해석에는 1999년스위스의 HBI사에의하여해석도구로소개되었고많은수의프로젝트에적용되고있음. FLUENT 는비압축성 (low subsonic) 에서압축성 (supersonic and hypersonic) 및천음속 (transonic) 유동등유동의전영역을해석할수있는유한체적법 (FVM) CFD전용 Solver임. FLUENT 는완벽한격자유연성 (mesh flexibility) 과솔루션에기반한적응격자 (mesh adaption) 기법과연계한다양한수치해석모델을제공함. 이동하는열차움직임해석이가능한 Moving Mesh 및 Dynamic Mesh 적용이가능하며, 압축성유체해석및점성, 비점성유체해석이가능함. 나. 성능평가방법의적용성 열차가고속으로터널진입시발생되는압력파와터널내유동장해석에사용된국내외다양한전산유체해석모델 ( 소프트웨어 ) 을검토한결과유한체적법 (finite volume method; FVM) 을기반으로한해석모델을많이사용하는것으로나타났으며각전산유체해석모델의구성특성에따라분석조건및경계조건을적용하여분석이수행된것으로나타남. 다양한전산유체해석모델에적용된분석특징중가장중요한특성인유한체적법 (finite volume method; FVM) 과열차거동모사에사용되는 Sliding Mesh와 Dynamic Mesh 방법의특성을조사함. - 114 -
(1) 유한체적법 (Finite Volume Method) 그림 2.5.3 유한체적법의개념 유한체적기법 (Finite Volume Method) 을통한 3D 전산유체해석의경우단위체적에대한질량과관성량및에너지등의보존법칙을적용한미분방정식풀이를적용하게되며전체해석공간에대한단위체적을어느정도로분해하느냐가해석의정확성을결정하는주된요소가됨. 전산유체해석에서는단위체적을기하학적으로 Grid 혹은 Mesh로표현하게되며 Mesh 형상의품질에큰영향을받게되며열차형상구현시해석을위한격자의수가과도하게증가되는경우해석시간이증대되어되므로해석시간이증대되는것을효율적으로처리할수있는다양한격자형상이적용될수있는해석모델을검토하기로함. 표 2.5.4 격자형태별형상특성 Tet/Hybrid Mesh Polyhedra Mesh 전산유체해석에서는유체에대한지배방정식 (Governing Equation) 을적용하여연산을 수행하게되며이러한지배방정식은도메인을구성하고있는유한체적요소별로적용 되어각각의유한체적요소내지정되어있는유체역학적변수들의해를구하게됨. 아 - 115 -
래의수식은지배방정식의예를나타냄. 또한난류모델, 다상모델, 연소 - 화학반응등물리적모델의추가적용에따라체적요 소에반영되는변수들이추가되고따라서요구되는처리용량등도증가하게됨에따라 하드웨어사양을고려하여효율적인해석모델을적용하여분석을수행함. (2) Sliding Mesh / Dynamic Mesh Sliding Mesh는해석상의이동또는회전하는물체의주변거동을모사하기위한방법으로터널의열차주행모사에적용이가능함. Sliding Mesh가개발되기이전에는풍동실험법을이용하여모사하였는데, 이러한방법으로는터널내열차거동과같은피스톤운동을비정상상태로해석하는것이불가능함. Sliding Mesh의개념은, 해석도메인을정적인부분과동적인부분으로구분하여각기다른운동속성을지정하는것으로직선방향의운동을구현하는방법임. Sliding Mesh 는해석에따라 Mesh 구조가고정되어있기때문에필요한데이터영역에비하여많은수의격자를구성하여야하는단점이있음. 그림 2.5.4 Sliding Mesh 의개념 Dynamic Mesh 는 Sliding Mesh 기법을발전시킨개념으로, 도메인내형상변화에따라 Mesh 구조를실시간으로변화하는기능으로보다정확한계산및직선운동이외의다 양한움직임을구현할수가있고, 벽체로사용되는 Wall 등경계조건의움직임에따 - 116 -
라주변격자망의 node 좌표를이동하는것으로 Sliding Mesh에비하여보다자연스러운움직임이가능함. 터널내열차거동모사에있어서는터널내열차주행분석의경우터널의입출구부에다양한형상의적용및별도의구속조건이없이외기의 free flow를적용하므로고속열차의터널진입시발생하는현상을분석하기에적합한격자변형기법임. (3) HPC(High Performance Computing) H/W 활용기술수준 3차원공기역학적성능평가는열차의이동및구조물에대한 3차원모델링을수행해야하며계산영역의구조가복잡한경우해석을위해서는매우많은격자를형성해야해석결과의오차를줄일수있음. 해석과정에서계산영역 (geometry) 생성과격자생성에많은시간이소요됨. 계산영역의격자수가많아질수록격자의생성과계산에필요한메모리환경및긴계산시간이소요되며, 필요한메모리가 4GB~8GB 이상으로증가하게되면일반 PC 운영시스템으로는운용하기가어렵다. 전산유체역학해석과정에서대용량의계산영역의해석을위해클러스터컴퓨터를사용함. 클러스터컴퓨터란초고속, 대용량의수치연산을위하여하나의 CPU 또는하나의컴퓨터만으로수행하기불가능한해석을위해다수의 CPU 또는다수의 PC급의컴퓨터를고속의네트워크로연결하여슈퍼컴퓨터의연산처리능력에준하는계산속도를구현한컴퓨터를말함. 그림 2.5.5 클러스터시스템개요 고급연산문제를해석하기위해클러스터컴퓨터를사용하는것을고성능컴퓨터 (High Performance Computing, HPC) 라고하며최근에는테라플롭스이상의규모를 HPC 에 - 117 -
사용되는컴퓨터를구분하는기준으로사용하고있음. 대용량의계산영역이나고급연산문제해석을위해서는이러한클러스터시스템을구축하여활용해야하며이러한전산유체역학해석의비중이높아짐에따라내부네트워크를활용한클러스터시스템을직접구축하거나고성능, 고가의장비구축의어려움을해결하기위해클라우드를이용한클러스터시스템을이용하는사례가높아지고있음. 클러스터시스템구축시고가의장비구축에대한비용절감을위해클라우드서비스기반을이용한클러스터시스템을제공하는업체가늘어나고있으며국내에서는국가기관인한국과학기술정보연구원 (KISTI) 에서연구목적으로 HPC를구성하여활용하고있음. 클러스터컴퓨터의운영및병렬계산에서하드웨어구성과네트워크구성만큼중요한것중하나가안전한저장임. 데이터의안전한저장을위하여두개이상의하드디스크에해석시계산된데이터를동시에저장하는미러링 (mirroring) 구성과갑작스런정전으로인한데이터손실에대비한 UPS( 무정전전원장치 ) 를구성할수있음. 표 2.5.4 국내에서이용가능한 KISTI 의 HPC Kisti TACHYONⅡ GAIA SUN B6275 SUN B6048 IBM p595 IBM p5 Rpeak 300 TFLOPS 24 TFLOPS 5,888 GFLOPS 30.7 TFLOPS Core CPU 수 25408 CPU 수 3008 CPU 수 640 CPU 수 1536 Memory 76.8TB 6TB 2,772GB 8,704GB HDD 1061TB 207TB 63TB 336TB Network - - - - 전산유체역학해석과정에서클러스터시스템의사용은전산유체해석에사용되는프로그램의분할된부분들을분담하여동시에처리하는병렬처리를하기위함으로사용되는프로그램은병렬처리를위한알고리즘을제공해야사용자가클러스터시스템을사용할수있음. 또한, 병렬해석은전산유체해석에사용되는모델의병렬처리알고리즘특성에따라하드웨어규모가증가함에따라시스템성능이비례적으로증가하지않기때문에 (Minsk's conjecture : P개의프로세서들을사용한병렬프로세서에서프로세서들간의정보교환을위한통신오버헤드때문에시스템성능은 P배가아닌, 최대 log2p배까지만개선 ) - 118 -
사용되는모델의병렬알고리즘에따른효율적인하드웨어구성이필요하며다음과같은요소를고려하여시스템을구성해야함. Ÿ 속도향상에대한척도 : N개의프로세서를가진클러스터컴퓨터와단일프로세스시스템의처리속도비교 Ÿ 효율 : 투자비용에따른효과를분석 Ÿ 중복성 : 응용프로그램을클러스터컴퓨터에서처리하는경우수행되는연산들의수와단일프로세스시스템에서의연산들의수비교 Ÿ 시스템이용율 : H/W resource들이어느정도효율적으로사용되는지를분석 Ÿ 병렬처리의질 : 병렬처리가어느정도효과적으로이루어졌는지를나타내는척도 (4) 해석모델선정에있어고려해야할요소 열차거동모사 Ÿ 다양한열차의속도에따른터널입구부에서발생되는압력파 (micro pressure wave) 해석을위해서는터널입구부에압력파의특성을경계조건으로모사하는방법으로는한계가있어실제열차거동을모사할수있는 Sliding / Dynamic Mesh 를이용한모델선정이필요함 3차원형상반영 Ÿ 터널입구부에서발생되는압력파는터널입구부의형상, 열차전두부의형상, 후드와같이 Open구의단면적과위치에따라그특성이다르게나타나므로이러한구조적인형상을고려할수있는 3차원형상을구현할수있는모델선정이요구됨. 터널내압축파의거동해석을위한점성모델 Ÿ 고속으로터널에진입하는열차에의해발생되는압력파의경우터널입구의초기압력변화특성을분석하는데는비점성 (Inviscid) 모델을사용해도큰영향이없는것으로분석되나, 해석시간과취득데이터에따라점성모델의적용성을고려해야할필요가있음. Ÿ 만일, 터널내부의압력파의거동을해석하고자하는경우점성모델의적용이중요한요소로적용될수있으며점성모델에따라신뢰성의차이가발생함으로점성모델선정시신중함검토한필요할것으로판단됨. 압축성기체에의해발생되는압축파의모사를위해이상기체밀도방정식적용 Ÿ 열차가터널입구진입시발생되는압축파는공기의압축성을해석할수있는이상기체밀도방정식분석이필수적이며이상기체를분석하기위해서는지배방정식에에너지방정식이포함되어야함. Ÿ 압축성기체해석시에너지방정식을해석해야하며에너지방정식의경우높은 - 119 -
정밀도의변수가필요함으로배정밀도변수를적용하여정확한수치해석이수행할수있음. 대규모해석을위한병렬처리기능 Ÿ 복잡한터널및열차구조적형상에대한모델링과열차주행특성모사를위해많은격자수의적용이불가피하며격자수증가에따른메모리사용량과해석시간도비례하게됨. Ÿ 특히, 압축성유체의해석을위해서는해석시시간간격이매우조밀하게설정되어야하는데, 이것은많은하드웨어자원을필요로하며, 해석시간의증가로이어진다. 따라서, 터널내압축파모사를위해서는해석모델에병렬처리를위한알고리즘이제공되어야함. 6 절 SWOT 분석 1. 내부역량및외부환경 가. 외부환경분석 (1) 기회요인 국내 200km/h 급이상의고속철도건설수요가지속적으로계획되어있으며, 현재원주 -강릉선이건설중에있으며, 중앙선, 동해선, 중부내륙철도, 서해선등이계획중이거나설계중에있음. 이러한신규철도에서터널이차지하는비중이평균 50% 이상임. 국가교통정책패러다임이녹색교통으로전환되며, 녹색육상교통의대표인철도에대한투자확대전망 철도건설비건전화추세로철도터널내공단면적이지속적으로최소화되고있음 열차하중문제와유지보수문제로터널내궤도도상이발라스트궤도에서콘크리트궤도로바뀌면서미기압파문제가크게대두됨 터널내수직갱이나사갱등의설치개소증가로미기압파를저감시킬수있지만큰공사비의증가로귀결됨. 터널미기압파저감대책기술이국내영업철도에아직실현된사례가없고, 이론적및실험실수준의연구만수행하고있으므로선진국과의기술격차가크지않아서지속적인투자와연구개발노력을기울인다면기술선점이가능함 터널미기압파저감후드기술은터널갱구에설치되는친환경구조물로서반영구적인 - 120 -
시설이며유지보수가거의필요없는철도인프라임 (2) 위협요인 경부고속철도와호남고속철도에서터널미기압파가발생되지않을정도의대단면터널을적용하여, 터널미기압파의폭발음이발생하는철도현장이없음 국내는터널미기압파현장시험과최적설계의경험부족상황에서터널미기압파전문가가거의없어서최근원주-강릉선, 중앙선등의터널실시설계에서미기압파환경영향평가오류를바로잡는데어려움이있음. 국내에터널미기압파허용기준이없어서신규고속철도설계시마다일관된기준적용이되지않고있음. 현재설계중인중앙선, 동해선, 중부내륙철도의단선터널단면적은 40m 2 로서철도선진국에서설계유래가없는제일작은터널단면적으로 250km/h 와 200km/h 로운행계획을설정하여짧은터널에서도터널미기압파의폭발음이매우크게터져나올상황임 이러한단선터널에서는장대터널의경우에차세대고효율터널미기압파저감후드를설치하여도미기압파를저감시키는데한계가있을수있음. 나. 내부환경분석 (1) 장점 고속철도의전국확대, 일반철도의고속화 / 복선화추진을통해철도인프라시공분야에서충분한경험및기술력보유 차세대고효율터널미기압파저감후드에대한원천기술확보 Ÿ 지금까지최고성능을가지는있는일본신칸센창문형후드보다철도연의통풍관형후드는미기압파저감성능이 10% 더우수하고, 2014년에개발된차세대미기압파저감후드 ( 날개형후드, 아치슬릿형후드, 수평통풍관형후드 ) 는 22% 더우수함. 즉, 터널미기압파저감율이 통풍관형후드 는최대 60%, 차세대미기압파저감후드 는최대 72% 까지저감시킴 ( 세계최고성능 ). Ÿ 본기술은한국철도기술연구원에서 100% 주도적으로개발한원천기술임. 세계최고성능의터널주행열차모델주행시험기 (Moving Model Test Rig) 의보유 Ÿ 후드를개발하고성능검증하기위하여열차모델을실제속도로주행시켜서터널출구에서의미기압파저감성능을파악하는터널주행열차모델주행시험기 (Moving Model Test Rig) 의보유가필수적임. 자체독자모델로설계및제작한주행시험장치이며, 2014년에주행장치의초고속피스톤밸브적용으로최고속도 470km/h 에서최고속도 1,060km/h로성능업그레이드를달성하였음. 동종시험장치로는세계최고성능임. - 121 -
터널미기압파저감대책적용으로터널내공단면적을작게할수있으므로철도터널건 설비절감됨 터널내공단면적 20% 이상축소효과 터널건설비 12% 절감 (2) 약점 현재운영중인경부고속철도와호남고속철도은터널미기압파가발생되지않을정도의대단면터널이라터널미기압파의폭발음이발생하는철도현장이없어서현장시험데이터를확보못하고있음. 국내현장시험데이터를확보하지못하여국내선로변주거환경실정에맞는미기압파허용기준정립에어려움이있음. 철도선진국의시스템엔지니어링기법을받아들여철도터널단면적을최소화하여터널건설비건전화를시도하고있으나, 터널미기압파환경영향평가소프트웨어의신뢰도가검증이안된툴 (tool) 이사용되어 200km/h 급단선터널의경우에는과도하게터널단면적이축소되어있음. 철도전문연구기관인한국철도기술연구원의경우에는최근에신칸센현장시험데이터뱅크를활용한역해석방법으로터널미기압파환경영향평가를수행하고있으나일본철도터널의특성에맞추어져있어타이트한환경영향평가를수행하는데는한계가있어, 2017년도의원주-강릉선의시운전시험에서터널연장별로방대한현장시험데이터확보가필수적임. 2. SWOT 분석 사업의비전, 목표및추진전략수립을위하여외부환경분석및내부역량분석결 과를토대로 SWOT 분석을실시하고이에대한대응전략을도출 - 122 -
SWOT 분석기회 (O) 1. 국내 200km/h급이상의고속철도건설수요가지속적으로계획되어있음. 2. 신규철도에서터널이차지하는비중이평균 50% 이상임. 3. 철도건설비건전화추세로철도터널내공단면적이지속적으로최소화되고있음. 4. 열차하중문제와유지보수문제로터널내궤도도상이발라스트궤도에서콘크리트궤도로바뀌면서미기압파문제가크게대두됨 5. 선진국과의기술격차가크지않아서지속적인투자와연구개발노력을기울인다면기술선점이가능함 강점 (S) 1. 철도인프라시공분야에서충분한경험및기술력보유 2. 차세대고효율터널미기압파저감후드에대한원천기술확보 3. 세계최고성능의터널주행열차모델주행시험기보유 4. 터널미기압파저감대책적용으로터널내공단면적을작게할수있으므로철도터널건설비절감됨 5. 신뢰성높은터널미기압파현장시험기술확보 SO 전략 1. 터널미기압파저감후드기술은친환경구조물로서반영구적인시설이며유지보수가거의필요없는철도인프라임 2. 풍부한고급인력과터널및구조물시공경험을활용하여경제성있는미기압파저감대책설계및시공가능 4. 우수한연구인력과설계사, 시공사를활용한세계적수준의연구결과도출 5. 개발될기술의국내현장적용을통한검증을통한해외건설시장진출을위한기술력확보 약점 (W) 1. 터널미기압파의폭발음이발생하는철도현장이없어서현장시험데이터를확보못하고있음 2. 터널미기압파환경영향평가소프트웨어의신뢰도가검증이안된툴 (tool) 이사용되어 200km/h급단선터널의경우에는과도하게터널단면적이축소되어있음. 3. 신칸센현장시험데이터뱅크를활용한역해석방법으로터널미기압파환경영향평가를수행 WO 전략 1. 풍부한고급설계인력의적극적활용을통해서터널미기압파관련설계기술향상과관련기준정비 2. 기술개발에있어서후발이지만그차이가미소할뿐아니라현장에적용할수있는실증적연구가가능함 3. 고급인력이적극적으로참여하여관련기술의실용화와이를위한관련기준의정비가가능 4. 국가적인 R&D 사업추진을통한관련실용기술확보 5. 고성능경량재료를적용한고내구성시설물개발로기술차별화및경쟁력확보 - 123 -
위협 (T) 1. 터널미기압파전문가가거의없어서그동안의미기압파환경영향평가오류를바로잡는데어려움이있음. 2. 국내에터널미기압파허용기준이없음. 3. 현재설계중인중앙선, 동해선, 중부내륙철도의단선터널단면적은 40m ² 로서철도선진국에서설계유래가없는제일작은터널단면적임. 4. 이러한단선터널에서장대터널의경우에차세대고효율터널미기압파저감후드를설치하여도미기압파를저감시키는데한계가있을수있음. ST 전략 1. 본선테스트베드구축을통한안전성검증및불안감해소 2. 발전된시공기술과터널및각종구조물의건설경험을활용하여공용중설치가능한신공법개발 3. 신재료와신공법을적용하여경제성이확보되는프로젝트의실현 4. 요소기술별기술검증을통한안전성확보 5. 우수한연구인력과풍부한시공경험을통해시스템엔지니어링기술보완 WT 전략 1. 관련기준을확실하게마련하여안전성확보에최선의노력 3. 테스트베드의시험평가를통한터널미기압파저감대책경험확보및노하우측적 4. 적용한경제성이우수하면서안전성이확보될수있는연결방안도출 5. 기개발된기술을적극활용하고실용화기술개발에초점을맞추어세계최고성능의미기압파저감대책마련 3. 미래시장대응전략 열차의고속화가지속적으로추진되고있는현재의상황을감안하여볼때, 터널미기압문제는더욱중요하게대두될것으로예상됨. 국내에고속열차가도입되는초기에는관련기술의부족으로필요이상의대단면이적용되어건설된사례가많았으나, 지속적인해외자료수집과기술개발로인하여지속적으로단면적이감소하는추세에있음. 터널의미기압파는아직까지완전히이론적으로규명되지못한상태로, 현장기상상태나기압조건등에대해서도관련이있는것으로추정되나, 이에대한연구는부족한상태임 따라서본연구를통하여열차가운행되는터널에대한미기압파발생을지속적으로모니터링하고, 이에대한조건의상관성을규명함으로서향후고속화, 소단면화에대응하는기술개발이가능할것으로판단됨 본연구관련기술의성취는현재일본및독일에편중되어있는기술의존성및선도능력을배양하여국내철도기술발전에이바지하고, 미래의선도기술로서세계시장에대응가능함 - 124 -
3 장경제성분석및사전타당성검토 1 절경제성분석 1. 경제성분석서언 1899년에우리나라에서처음으로경인선 ( 노량진- 제물포 ) 이개통된이후, 2004년에는세계에서 5번째로시속 300km의 KTX 고속철도가개통되어서울-부산간운행시간은 2시간 10분내외로단축되었으며, 2010년에는국산기술로제작된 KTX-산천이상업운행을시작함. 또한 2012년개발된해무는시속 430km로 KTX 보다 100km나빠른차세대고속열차로서, 호남고속철도가완공되는내년하반기부터호남선오송 광주구간에서운행될예정으로있음. 우리나라의고속철도개발기술은세계철도선진국수준으로향상되어있으며, 친환경대량운송수단으로서의철도의역할은앞으로더욱커질것으로예상됨. 이러한선진화된열차기술은향후기존의저속열차노선의개량및신선건설등으로속도의향상을가져올것이며, 이에맞추어기존터널의유지보수및신규터널공사역시증가하게될것임. 2012년의 중장기운송전략 ( 코레일 ) 에의하면향후 10년간우리나라터널건설계획은 317개소개로향후전국적으로철도노선의속도향상에따른고속철도시대로진입하게될것임. 그러나속도증가에따른신속한운송이라는장점이면에는소음발생으로인해철도운행주변지역은소음공해에의한환경적인문제점이발생할가능성이높을것으로예상됨. 고속철도가처음운행된일본에서는 1975년 3월, 산요신칸센의개통을위한시운전시험에서뜻하지않게터널출구에서미기압파에의한폭발음이발생되어, 신칸센소음에관한환경기준이고시되는결과를초래함. 이러한소음의원인을파악하기위해 JR과신칸센건설국에서조사위원회를구성하고실태를파악하여 1976년도에터널미기압파실태보고서를발간함. 이는기존의철도운행에서는없었던새로운형태의환경문제로, 1995년에는재래철도의신설또는대규모개량에서의소음대책지침이발표됨. 터널내부로의고속열차진입에의하여생성된압축파는터널내 외환경에영향을미치는데, 열차내부기압에영향을미쳐승객들이귀울림 ( 이명 ) 현상을느끼게되며, 터널의출구에서충격성소음으로터져나가는데, 이를미기압파라고함. 일본, 독일, 중국등고속열차운영국가들은 2008년이후부터미기압파허용기준을마련하고건설단계부터저감시설을설계에반영하도록하고있으나, 우리나라는아직구체적인철도관련소음기준은마련되어있지않은상황임. 그러나, 지리적으로산악지형이많은우리나라는 2012년도현재 672개의철도터널이구축되어있으며, 향후철도의고속화에따른기존터널개량및신규터널건설시미 - 125 -
기압파에의한소음및문제점을저감하기위한대책이필요한실정임. 철도터널미기압파를저감하기위한대책은여러가지방법이있으나, 미기압파저감후드를설치하는것이가장효율적인방법으로알려져있으며, 유럽, 일본, 대만등에서도미기압파저감후드를적용한대책을시행하고있음. 현재해외철도운영국가들이사용중인후드형태는일본에서개발된창문형후드를터널특성에맞게변형하여사용하고있음. 현재우리나라는경부고속철도와호남고속철도는터널의단면적이충분히크기때문에열차가고속으로터널에진입하더라도미기압파의크기가미비하여운행상의문제가없는것으로알려져있으나, 향후건설될터널들은단면적의크기가작아지기때문에, 미기압파의영향이클것으로예상됨. 따라서, 본보고서에서는지속적인터널증가에대비하여한국철도기술연구원이자체개발한미기압파저감기술인 철도터널미기압파저감용차세대후드 에대한경제성분석을통해실용화및향후국내외시장으로의적용가능성에대해서알아보도록함. 본보고서의주요분석내용은다음과같다. 일차적으로관련후드기술과의비교분석을통해본기술의차별성및향후경쟁력등을분석함. 이를위하여자체개발한차세대후드기술과경쟁기술인일본의창문형후드의기술격차및수준을정량적으로비교하여향후경쟁우위가능성을분석함. 이를바탕으로기존터널 ( 후드비적용 ) 대비후드적용시의터널건설비용절감액산정을통한후드기술의경제성분석을시행하도록함. 2. 철도터널미기압파저감용차세대후드기술성평가 가. 후드기술개요 철도터널미기압파차세대저감후드 는열차가고속으로터널내에진입할때터널출구에서발생하는미기압파를저감하기위해, 터널입구에후드를설치하는기술로서경쟁기술인일본의후드 ( 창문형후드 ) 에비해저감기능이향상된차별화된후드기술임. 미기압파는시속 200km이상의고속열차가터널에진입할때발생하며, 객차안의승객들이귀울림과같은불쾌감을느끼게되고, 터널출구에서는큰소음과함께열차가운행하는주변지역에진동현상을일으키게됨. 미기압파는저주파로방음벽설치등으로는차단이불가능하며, 터널출구에서최대반경 100미터거리에있는가옥의문과유리창을심하게진동시켜파손시킬정도로환경적인영향을미치는것으로알려져있음. 기본적인미기압파저감대책으로는터널단면적을확대하거나터널진입시열차속도의감속등이있으나, 과도한건설비용이나저속운행에의한고속열차의장점및운행정시성등의서비스관점에서문제가생길수있음. 이러한방법은터널단면적을작게 - 126 -
설계하거나, 속도향상에장애요인으로작용하게되기때문에터널입구에후드를적용하는것이미기압파에대한효과적인저감대책이될수가있음. 아래그림 3.1.1은통풍관형후드가터널입구에설치된모습이며, 터널연장, 터널단면적, 열차의단면적, 열차의속도등미기압파에영향을미치는요인들의특성에따라후드의길이와통풍관개수들을적절히조정할수있음. 그림 3.1.1 미기압파저감용통풍관형후드 후드본체의지붕에일렬로형성된통풍관은고속열차의진입에따라발생한압축파를반사, 간섭시키는기능을수행하여결과적으로후드본체내에서발생한압축파가감쇠되어터널내부로전파되기때문에터널출구에서의미기압파를저감하도록설계되어있음. 나. 후드관련기술개발및적용현황 철도터널미기압파저감후드는형태에따라창문형태의개구부를갖는창문형후드와통풍관구조로되어있는통풍관형후드로나누어진다. 창문형후드는일본철도종합연구소에서개발한이후신칸센노선의 450개소이상에설치되었으며, 최근에는유럽의독일 (2012년) 과프랑스 (2010년) 에도적용됨. 반면, 통풍관형후드는 1997년부터한국철도기술연구원에서개발을시작하여, 1999년에특허출원을하였으며, 실험결과미기압파저감성능면에서일본의창문형후드보다 10% 이상앞서는것으로나타났으며, 후드를적용하지않은터널과비교시최대 56% 의저감효과를나타냄. 현재, 고속철도를건설하는국가들은기존의발라스트궤도대신콘크리트궤도를사용하고있으며, 이로인해미기압파가발생하게되어, 국제수준의미기압파기준에맞추어소음저감대책을적용하고있음. 국내에서도고속철도설계시최소터널내공단면적과콘크리트슬라브궤도적용으로심각한소음에의한환경문제를야기시킬수있는터널미기압파에대한저감대책이필요하게됨. 따라서, 국내 외적으로철도의고 - 127 -
속화와이에따른터널보수및건설이증대되면서미기압파저감대책은더욱강화되고후드의사용은지속적으로수요가있을것으로예상됨. 후드적용이외에도가능한미기압파저감대책으로는수동제어방법과능동제어방법이있음. 수동적제어방법으로는연속한터널을슬릿및슬릿커버가부착된쉘터로연결하는방법 ( 연속한터널에개구부를적용하여스노우쉘터로연결함으로써, 터널앞쪽에서발생한압력파를연속터널중간에위치한스노우쉘터의개구부에서처리 ), 통풍공터널에의한방법 ( 소단면수직통풍공을철도터널내부에일정간격으로적용함으로써, 터널내의풍압변동량을저감시켜승객의이명감을줄여주고, 터널미기압파저감 ), 차량의구조를변경하는방법 ( 열차전두부형상의최적화로터널진입시터널내공기압축시간지연효과 ), 차량단면적에의한미기압파저감대책 ( 열차단면적을축소함으로써, 터널단면적확대효과 ), 터널벽면에완충재를설치하는방법 ( 발라스트와같은완충재를터널의전체길이에걸쳐서설치 ) 등이있음. 그리고능동제어방법으로는터널내에워터커텐을설치하는방법, 터널내에물방울을분사하는방법, 터널입구에송풍기를설치하는방법, 그리고터널출구에능동소음제어우퍼스피커를설치하는방법등이있음. 상기방법들중미기압파저감후드 ( 열차진입에의해서발생하는압축파전면의압력구배를처음부터완화 ) 를통한대책이현재가장효율적인방법으로알려져있으며, 적용터널출입구지형, 시공성, 민가분포상황등주변환경에맞추어선택적으로사용할수있는장점등으로, 현재유럽, 일본, 대만등에서도미기압파저감후드를적용하고있음. 다음은주요고속철도운영국가들의후드적용사례에대해서요약함. (1) 우리나라 현재국내의경부 / 호남고속철도는터널진입속도대비터널내공단면적이매우크게건설되어있기때문에 터널미기압파 라는폭발음발생이없는상황이나, 최근국 내외터널설계추세가내공단면적축소를통한건설비절감, 유지관리의효율성을고려한콘크리트궤도공법적용그리고열차의고속화추세로터널미기압파발생의가능성이커지고있는만큼이에대한소음저감대책마련이시급한실정임. 특히, 운행속도 200km/h 이상의고속철도에서터널미기압파저감후드의설치대책은시공비가저렴하며, 궁극적으로최적설계의최소터널단면적에서적용되기때문에최선의터널건설비절감방법이될수있음. 2013년에한국철도기술연구원에서자체개발한 한국형터널미기압파저감후드 기술을호남고속철도 400km/h 급증속구간인우산터널시점에국내처음으로기술이전및설치를완료함, 그러나 1999년도에국내특허등록된한국형통풍관형후드는국내특허만출원하여기술수출이불가능한상태임. - 128 -
그림 3.1.2 우산터널미기압파후드적용사례 반면에, 일본, 독일, 중국등고속열차운영국가들은 2008 년이후부터미기압파허용기 준을마련하고건설단계부터저감시설을설계에반영하고있음. 표 3.1.1 고속열차운영국가들의터널미기압파저감대책실행현황 구분 경부고속 호남고속 중앙선 일본 독일 중국 터널단면 66( 복선 ) 63.4~66 107( 복선 ) 96.7( 복선 ) 적 (m ² ) 40( 단선 ) ( 복선 ) 62( 단선 ) 48.6( 단선 ) 운행속도 (Km/h) 300 300 250 254~260 250 200 허용기준 없음 없음 없음 있음 있음 있음 저감시설 설치 없음없음없음있음있음있음 (2) 일본 최소터널단면적과콘크리트궤도를제일먼저적용한일본신칸센철도에서 1975년 3 월오카야마 -하카타간신간센노선개통과함께터널의출구에서충격성굉음이발생하고, 갱구부근의가옥의창과문이심하게흔들리면서소음을발생시키는새로운환경문제가발생함. 이를계기로 1975년이후에지속적으로 터널입구미기압파저감후드 에대한연구를진행하여창문형태의개구부를갖는 창문형후드 를개발하여신간센 450개소이상의터널입구에설치하여사용하고있으며, 독일, 프랑스등의유럽과중국등은일본에서개발한 창문형후드 를사용하고있음. 일본의미기압파저감후드는약 40년동안의연구개발및개량으로지적재산권상에서독점적지위를차지 - 129 -
하고있음. 그림 3.1.3 일본산양신칸센의터널미기압파저감후드 터널건설비를절감하기위하여, 최소터널내공단면적적용시에발생하는터널미기압파의환경소음 / 진동문제는설치비가저렴하고유지보수가용이한후드대책을채택하고있음 ( 일본산악터널설계시공표준 ). 또한, 최근에는후드의측면에길이방향을따라개폐조절가능용창문을설치하여미기압파의특성에따라현장에서조정이가능하도록설계되어있어, 터널통과지역과주행속도에따라발생되는미기압파를현장시험을통해계측하고결과를이용하여창문의개폐위치와크기를변경할수있는구조적특징을가지고있음. (3) 독일 고속철도의 Nuremberg-Ingolstadt 신선에서 2005년 12월에 ICE S, ICE 3 고속열차로열차속도 300km/h 로시험운행중연장 7.7km인 Euerwang 터널과연장 7.26km인 Irlahül 터널갱구에서심각한미기압파문제가발생하여터널출구로부터 1km 떨어진가옥의문과창문이흔들리는현상이발생함. 이는발라스트궤도로건설되도록계획되어있었으나터널공사가완공된후에콘크리트궤도로설계가변경되어문제가발생한것이었다. 이후콘크리트도상인터널에서미기압파문제가심각함을인식하고, ICE 신선에적용할터널미기압파저감후드를선정하고적용하기시작함. 아래그림은독일에서사용중인일본의창문형후드임. 창문의위치를상부쪽으로이동하여도공기역학적성능은차이가없기때문에, 일본의터널미기압파저감후드를터널특징에맞도록후드형태를변형하여사용하고있음. - 130 -
그림 3.1.4 독일의터널에사용되는창문형후드 (4) 프랑스 프랑스의경우프랑스와스페인의국경에위치한 Perthus 터널에미기압파저감후드가적용되어있음. Perthus 터널은콘크리트도상을적용한연장 8.3km의단선병렬터널로서, 2010년 12월에상업운행을시작한터널임. Perthus 터널의양쪽갱구에는 창문형의미기압파저감후드 를각각 2개소씩설치함. 프랑스는국토의대부분이평야지대이지만국경근처의산악지대철도터널에는터널내공단면적최적화와더불어, 터널출구미기압파를저감시키기위하여터널입구후드를적용하고있음. 아래그림에서보듯이, 일본신칸센터널미기압파저감후드를약간변형시킨창문형후드디자인으로서, 창문의위치를측면에서상부쪽으로이동시킨디자인을갖고있음을알수있음. 그림 3.1.5 프랑스의터널에사용되는창문형후드 - 131 -
(5) 중국 중국의최고속도 200km/h 의일반철도신선에설치된터널미기압파저감후드는일본신칸센의창문형후드를설치하였고, 200km/h 급신선과 300km/h 급신선에터널미기압파저감후드를광범위하게적용하고있음. 2013년도에는시속 160km 급일반철도의터널에천장에통풍공이설치된후드를적용하기도함. 중국역시터널의특징에맞게측벽또는상부에창문의위치에대한디자인을변경하여사용하고있음. 그림 3.1.6 중국의터널에사용되는창문형후드 (6) 대만 대만역시콘크리트궤도채택으로터널미기압파가발생하기때문에저감대책으로 3km 이상의터널과터널연장 3km 이하인경우에도터널갱구주변에민가가있는경우에는미기압파저감후드를설치하고있음. 아래그림은대만고속철도에적용된미기압파저감후드의사진으로서, 터널후드는터널단면적의 1.5배로설계하였으며, 길이는최소 20m이상으로함. 적용된미기압파저감후드는 2개의통풍관이설치된후드의형태를갖고있음. - 132 -
그림 3.1.7 대만고속철도의터널미기압파저감후드 아래표에각국의후드기술및적용현황을요약함. 표 3.1.2 해외철도운영국가들의후드적용현황 국가명후드기술 ( 특징 ) 미기압파기준적용현황 한국 일본 통풍관형 ( 일본기술보다 10% 이상기능향상 ) 창문형 ( 처음으로상용화하여다른국가에서사용중 ) 독일일본기술적용 ( 터널특징에맞게개조 ) 없음 자체기준 : 50 pa(128db) (50 pa : 사람의고막에서통증을느끼기시작 ) 자체기준 : 20 pa(120db) (20 pa : 사람의고막에서고통을느끼기시작 ) 프랑스일본기술적용 ( 터널특징에맞게개조 ) 자체기준 중국일본기술적용 ( 터널특징에맞게개조 ) 일본기준 대만일본기술적용 ( 터널특징에맞게개조 ) 자체기준 다. 차세대후드기술수준및경쟁력 (1) 기술동향및수준 최근전세계적으로고속철도의도입이증가하고있으며, 터널건설시국제수준에맞도록미기압파를저감하는대책이채택될것으로예상됨. 미기압파저감기술은여러가지가있으나, 터널미기압파저감후드를이용한대책이가장효율적인대책으로알려져있으며, 현재일본, 유럽, 대만등의고속철도에도미기압파저감후드기술이적용되어있음. 한국철도기술연구원은 2014년 10월에고효율차세대터널미기압파저감후드원천기술을개발하여표준형후드크기에서미기압파저감성능을 65% 이상향상 - 133 -
시켰으며이는세계최고성능임. 아래그림은현재개발된후드기술들의저감성능을비교한것으로서, 일본의창문형후드는최대 50% 저감효과를보이는반면, 통풍관형후드는최대 60% 의저감효과를보이고, 최근개발된차세대모델은최대 72% 의저감효과를나타냄으로써, 일본의후드보다 22% 의저감향상효과를보이고있음. 또한, 차세대미기압파저감후드는모양에따라날개형후드, 아치슬릿형후드, 수평통풍관형후드의 3가지모델로개발되어, 향후터널의특성에맞게제작설치될수있음은점에서기술의차별화및경쟁력에서일본을앞서고있음을알수있음. 아래그림은차세대후드기술대비일본의창문형후드의미기압파저감성능에대한기술수준차이를나타낸것임. 그림 3.1.8 한국과일본의후드성능비교 본기술은한국철도연구원에서자체개발한초고속열차모델주행시험기를이용하여미기압파저감성능테스트를완료하였으며, 이를토대로터널길이 / 단면적별, 열차속도별최적설계를완료함. 차세대후드를기준으로각기술간최대저감성능비교시통풍관형후드는차세대후드의약 83%, 그리고일본의창문형후드는차세대후드대비약 70% 의기술수준을나타내고있음. 아래그림에각후드별기술간수준의범위를비교함. - 134 -
그림 3.1.9 후드기술간의수준격차 (2) 기술의상용화 철도터널미기압파저감후드는고속철도용터널에적용할용도로개발되었으나, 열차의속도, 터널의길이와단면적에따라확장하여적용가능할것으로판단됨. 따라서향후고속철도용터널이외에도준고속철도터널또는민가지역을통과하는터널등에대해서도효율적으로적용이가능할것으로예상됨. 상용화실적을보면, 2013년도에 3개터널에기술을이전하여이가운데호남고속철도 400km/h 급증속구간우산터널에설치완료하였고, 중앙선도담-영천고속철도 11공구터널의 4개소는포스코건설이설계에반영하여 2017년완공예정이며, 중앙선도담 -영천고속철도 2공구 2개소는 SK건설이설계에반영하여 2017년완공예정으로있음. 또한중앙선도담-영천노선기타설계구간의단선터널에는터널미기압파저감후드 10개가한국철도시설공단설계사양으로반영 (14.10.25.) 되어사업비예산반영중이며특허기술료자문중 (1개소당오천만원 ) 에있음. 한국의통풍관형후드는 1999년에국내특허출원을하였으나, 1년이내에국제특허를출원하지못하였기때문에, 현재국제특허출원이불가능하여기술수출은할수없는상황임. 그러나차세대후드의국제출원 (2014년에미국, 유럽, 일본, 중국에특허출원완료 ) 으로향후기술수출 ( 이전 ) 및일본과의경쟁에서우위를점할수있을것으로판단됨. 라. 차세대터널미기압파후드의저감효과 국내철도시장은고속철도의전국운행을목표로기존노선의유지 / 보수및신규노선건 설이동시에이루어지고있으며, 고속철도망의전국적인확대로터널건설건설시터널 - 135 -
미기압파저감후드설치또는다른소음저감대책이필요한실정임. 국내에서운행되는경부고속철도와호남고속철도에서는대단면의철도터널을적용하여그동안터널미기압파문제에관심을가지지않았지만, 현재설계중인도담-영천간중앙선, 동해선, 이천-충주철도건설등국내대부분의철도건설에서터널의최소내공단면적과콘크리트궤도를적용하게되는데, 이러한조합의경우에터널출구에서미기압파라는충격성환경소음 진동이크게터져나오는문제점을수반하고있어이에대한실질적인저감대책이필요한실정임. 2005년이후유럽과일본, 중국, 대만등은신규고속철도는발라스트도상에서콘크리트도상으로바뀌어개통되고있는데, 콘크리트도상의공기역학적특성때문에터널갱구에미기압저감후드를설치하고있음. 운행속도 200km/h 이상의고속철도에서후드를설치하는터널미기압파저감대책은궁극적으로최적설계의터널단면적에서적용되기때문에효과적인터널건설비절감방법임. 철도건설이완공된후에저감대책을적용할경우열차운행안전성, 지장물이설, 매몰비용추가, 산악지형조건등으로공사비가약 5~6배증가하게됨. 현재우리나라에서의고속철도터널은단면적이충분히크기때문에미기압파의영향은없는것으로파악되고있으나, 최근에국내에서도터널미기압파저감대책인터널갱구후드등을적용하는최소의터널내공단면적을최적설계안으로제안하는상황임. (1) 후드미적용시의미기압파수준분석 향후건설되는터널의미기압파에의한영향을파악하기위해한국철도기술연구원에서환경영향평가프로그램 (MPIS-BED) 을사용하여도출된결과는다음과같다. 실험에사용된가정사항으로고속열차는 3가지종류 (KTX-산천고속열차, EMU-200 고속열차, EMU-250 고속열차 ) 이고, 궤도구조는콘크리트슬라브궤도, 그리고단선터널내공단면적은 39.34m 2 임. 그리고미기압파허용기준은터널출구 20m에서는일본기준 (50Pa 이하 ) 과터널출구 50m에서는독일기준 (20Pa 이하 ) 을적용함. 아래실험결과에서보듯이, 향후건설될고속열차의속도가 200km 이상인점을고려할때, 터널연장에상관없이모든터널에서미기압파가허용기준을초과하는것으로나타나, 적절한미기압파저감대책이필요한것으로나타남. KTX-산천고속열차를적용한경우 Ÿ 터널연장이길수록미기압파가허용기준을초과하는열차의터널진입속도가높아지는현상을보였으며, 연장이 7km 이상은 185 km/h, 그리고 1km 이하에서는 216 km/h에서허용기준을초과함. Ÿ 전체적으로허용기준을초과하는열차속도는 185km/h-216km/h 로서, 기존터널이개량되는경우에는중국의예에서보듯이시속 200km/h 이하의진입속도를갖는터널에서도미기압파저감대책이필요한것으로예상됨. - 136 -
표 3.1.3 터널연장별미기압파허용기준초과진입속도비교 터널연장 0.2km ~ 0.95km 3km 7km 이상 터널미기압파 환경영향검토결과 터널진입속도 216 km/h 부터미기압파 허용기준초과 터널진입속도 201 km/h 부터미기압파 허용기준초과 터널진입속도 185 km/h 부터미기압파 허용기준초과 터널미기압파저감대책 ( 후드등 ) 필요함필요함필요함 EMU-200 고속열차, EMU-250 고속열차를적용한경우 Ÿ EMU 고속열차는 KTX-산천열차보다전두부단면적이상대적으로크기때문에, 미기압파가발생하는열차의터널진입속도가 KTX-산천열차속도보다 15km-25km 낮은것으로나타났으며, 연장이 7km 이상은 175 km/h, 그리고 1km 이하에서는 195 km/h에서허용기준을초과함. Ÿ 전체적으로허용기준을초과하는열차속도는 175km/h-195km/h 로서, 기존터널이개량되는경우에는시속 200km/h 이하의진입속도를갖는터널에서도미기압파저감대책이필요한것으로예상됨. 표 3.1.4 터널연장별미기압파허용기준초과진입속도비교 터널연장 0.2km ~ 0.95km 3km 7km 이상 터널미기압파환경영향검토결과 터널진입속도 195 km/h 부터미기압파허용기준초과 터널진입속도 187 km/h 부터미기압파허용기준초과 터널진입속도 175 km/h 부터미기압파허용기준초과 터널미기압파저감대책 ( 후드등 ) 필요함 필요함 필요함 Ÿ 향후신설터널건설및기존터널의개량등으로, 한국형미기압파허용기준의제정에맞추어미기압파저감기술또는후드설치를통한구체적인저감대책이필요할것으로예상됨. 아래결과는터널연장에따른한국형차세대후드설치시의미기압파의변화및저감효과에대해서요약한내용임. (2) 차세대미기압파후드적용시의저감효과비교 ( 가 ) 터널연장 1 km 미만 (0.25-0.95km) 아래표에서보듯이현상태에서는 250km/h 급 KTX- 산천고속열차의터널진입속도 - 137 -
가 216km/h 부터일본과독일의미기압파허용기준을모두초과하는것으로나타났으 나, 차세대후드설치시최고속도 250km/h 로진입하여도터널출구에서미기압파는 허용기준을크게밑도는것으로나타나, 후드의저감효과가있음을알수있음. 표 3.1.5 차세대후드설치시의저감효과비교 (KTX- 산천열차주행시 )[ 단위 : Pa] 저감대책 터널 출구 열차진입속도 180km/h 200km/h 230km/h 250km/h 허용기준 현상태 통풍관형후드 차세대후드 20m 28.6 38.8 59.7 78.6 216km/h에서 50m 11.4 15.5 23.9 31.5 기준초과 20m 11.44 15.52 23.88 31.44 50m 4.56 6.2 9.56 12.6 기준만족 20m 8.58 11.64 17.91 23.58 기준의 1/2 이 50m 3.42 4.65 7.17 9.45 하로저감 아래그림에터널연장 1km 미만의경우 KTX- 산천열차의진입속도에의한해외허 용기준과비교하여미기압파저감후드의효과를표시함. 그림 3.1.10 터널연장 1km 미만 ( 터널출구 20m, KTX- 산천 ) 그림 3.1.11 터널연장 1km 미만 ( 터널출구 50m, KTX- 산천 ) - 138 -
250km급 EMU-250 고속열차의경우현상태에서는터널진입속도가 195km/h 부터터널출구에서의허용기준을초과하는것으로나타났으나, 차세대후드설치시열차최고속도로진입하여도허용기준을만족하는것으로나타났으며, 추가의미기압파저감대책없이, 한국형고속열차운행시에도소음에대한문제는없는것으로예상됨. 표 3.1.6 차세대후드설치시의저감효과비교 (EMU-250 열차주행시 ) 미기압파단위 : Pa 저감대책 터널 출구 열차진입속도 180km/h 200km/h 230km/h 250km/h 허용기준 현상태 20m 41.3 53.9 85.2 108.8 195km /h 에서 50m 16.5 21.6 34.1 43.5 기준초과 통풍관형후드 20m 16.52 21.56 34.08 43.52 50m 6.6 8.64 13.64 17.4 기준허용치에 근접하게만족 차세대후드 20m 12.39 16.17 25.56 32.64 기준허용치의 50m 4.95 6.48 10.23 13.05 65% 수준 아래그림에터널연장 1km 미만의경우 EMU-250 열차의진입속도에의한해외허 용기준과비교하여미기압파저감후드의효과를표시함. 그림 3.1.12 터널연장 1km 미만 ( 터널출구 20m, EMU-250) - 139 -
그림 3.1.13 터널연장 1km 미만 ( 터널출구 50m, EMU-250) ( 나 ) 터널연장 3 km 현상태에서는 250km/h 급 KTX-산천고속열차의터널진입속도가 201km/h 부터일본과독일의미기압파허용기준을모두초과하는것으로나타났으나, 차세대후드설치시 230km/h 의속도로진입시터널출구에서미기압파는허용기준을만족시키는것으로나타났으며, 250km/h 의속도로진입시허용기준을약간초과하기때문에후드의길이를늘리거나, 터널진입시약간의감속만으로도허용기준을만족할것으로예상됨. 표 3.1.7 차세대후드설치시의저감효과비교 (KTX- 산천열차주행시 ) [ 단위 : Pa] 저감대책 터널출구 열차진입속도 180km/h 200km/h 230km/h 250km/h 허용기준 현상태 20m 28.7 47.9 112.1 194.1 50m 11.5 19.2 44.8 77.6 201km/h 에서기준초과 통풍관형후드 20m 11.48 19.16 44.84 77.64-250km/h에서 기준의 50m 4.6 7.68 17.92 31.04 1.5배초과 차세대후드 20m 8.61 14.37 33.63 58.23 50m 3.45 5.76 13.44 23.28-250km/h 에서기준의 1.1 배초과 아래그림에터널연장 3km 의경우, KTX- 산천열차의진입속도에의한해외허용기 준과비교하여미기압파저감후드의효과를표시함. - 140 -
그림 3.1.14 터널연장 3km( 터널출구 20m, KTX- 산천 ) 그림 3.1.15 터널연장 3km( 터널출구 50m, KTX- 산천 ) 250km 급 EMU-250 고속열차주행시, 현상태에서는열차의터널진입속도가 187km/h 부터터널출구에서의허용기준을초과하는것으로나타났으나, 차세대후드 설치시 230km/h 의열차속도로진입하여도허용기준을만족하는것으로나타남. 표 3.1.8 차세대후드설치시의저감효과비교 (EMU-250 열차주행시 ) [ 단위 : Pa] 저감대책 터널 출구 열차진입속도 180km/h 200km/h 230km/h 250km/h 허용기준 현상태 20m 41.5 66.6 160.0 268.4 187km/h에서 50m 16.6 26.7 64.0 107.4 기준초과 통풍관형후드 20m 16.6 26.64 64 107.36 50m 6.64 10.68 25.6 42.96-250km/h 에서 기준의 2.1 배 초과 차세대후드 20m 12.45 19.98 48 80.52-250km/h에서 기준의 50m 4.98 8.01 19.2 32.16 1.6배초과 - 141 -
아래그림에터널연장 3km 의경우, EMU-250 열차의진입속도에의한해외허용기준 과비교하여미기압파저감후드의효과를표시함. 그림 3.1.16 터널연장 3km( 터널출구 20m, EMU-250) 그림 3.1.17 터널연장 3km( 터널출구 50m, EMU-250) ( 다 ) 터널연장 7 km 이상 현상태에서는 250km/h 급 KTX-산천고속열차의터널진입속도가 185km/h 부터일본과독일의미기압파허용기준을모두초과하는것으로나타났으나, 차세대후드설치시 200km/h 의속도로진입시터널출구에서미기압파는허용기준을만족시키는것으로나타남. 표 3.1.9 차세대후드설치시의저감효과비교 (KTX- 산천열차주행시 ) [ 단위 : Pa] 저감대책 터널출구 열차진입속도 180km/h 200km/h 230km/h 250km/h 허용기준 현상태 20m 38.2 86.6 295.4 644.1 50m 15.3 34.6 118.1 257.6 185km/h 에서기준초과 통풍관형후드 20m 15.28 34.64 118.16 257.64-230km/h 에서 - 142 -
50m 6.12 13.84 47.24 103.04 기준의 5.1 배초과 차세대후드 20m 11.46 25.98 88.62 193.23-230km/h에서 기준의 3.8배 50m 4.59 10.38 35.43 77.28 초과 아래그림에터널연장 7km 의경우 KTX- 산천열차의진입속도에의한해외허용기준 과비교하여미기압파저감후드의효과를표시하였음. 그림 3.1.18 터널연장 7km( 터널출구 20m, KTX- 산천 ) 그림 3.1.19 터널연장 7km( 터널출구 50m, KTX- 산천 ) 250km 급 EMU-250 고속열차주행시, 현상태에서는열차의터널진입속도가 175km/h 부터터널출구에서의허용기준을초과하는것으로나타났으나, 차세대후드 설치시 200km/h 의열차속도로진입하면허용기준을만족하는것으로나타났음. - 143 -
표 3.1.10 차세대후드설치시의저감효과비교 (EMU-250 열차주행시 ) [ 단위 : Pa] 저감대책 터널출구 열차진입속도 180km/h 200km/h 230km/h 250km/h 허용기준 현상태 통풍관형후드 차세대후드 20m 55.2 120.4 421.4 890.9 175km/h에서 50m 22.1 48.2 168.6 356.3 기준초과 20m 22.08 48.16 168.56 356.36-230km/h에서 기준의 50m 8.84 19.28 67.44 142.52 7.1배초과 20m 16.56 36.12 126.42 267.27-230km/h에서 기준의 5.3배 50m 6.63 14.46 50.58 106.89 초과 아래그림에터널연장 7km 의경우 EMU-250 열차의진입속도에의한해외허용기준 과비교하여미기압파저감후드의효과를표시함. 그림 3.1.20 터널연장 7km( 터널출구 20m, EMU-250) 그림 3.1.21 터널연장 7km( 터널출구 50m, EMU-250) 아래표는고속열차별, 터널연장별미기압파허용기준을만족시키는열차진입속도에 대해서요약한것임. 아래표에서보듯이후드를설치하지않았을경우, 열차터널진입 - 144 -
시터널연장에따라, 175km/h-216km/h 로속도를감속해야하는상황이발생하게되어, 열차의정시운행의불확실성등고객서비스의문제가발생할가능성이높음. 반면후드를설치하였을경우최소 200km/h 의속도로진입이가능하며, 특히 1km미만의터널에서는 250km/h의속도로감속하지않고진입하여도미기압파의허용기준을만족하게됨. 터널연장이 3km 이상의중 장대터널일경우, 터널의특징에따라, 후드의길이연장또는개수증가등의추가적인저감대책을활용하여허용기준을만족시킬수있을것으로예상됨. 표 3.1.11 터널미기압파허용기준만족진입속도비교 [ 단위 : Pa] 저감대책열차종류터널연장 미기압파허용기준만족진입속도 저감대책 현상태 KTX-산천 EMU-250 1km 미만 3km 7km 이상 1km 미만 3km 7km 이상 216km/h 미만 201km/h 미만 184km/h 미만 195km/h 미만 187km/h 미만 175km/h 미만 후드적용필요 1km 미만 250km/h 통풍관형후드 KTX-산천 EMU-250 3km 7km 이상 1km 미만 3km 7km 이상 230km/h 200km/h 250km/h 200km/h 200km/h - 차세대후드와동일성능을위해서는후드길이 2 배필요 - 터널주변의지형이협소하거나교량이있는경우후드길이연장에어려움 차세대후드 KTX-산천 EMU-250 1km 미만 3km 7km 이상 1km 미만 3km 7km 이상 250km/h 230km/h 200km/h 250km/h 230km/h 200km/h - 통풍관형은차세대후드의 83% 의기술수준 - 통풍관형후드의문제점해결 (3) 차세대후드의개발필요성 통풍관형후드는현재국내터널에적용중인기술이며, 차세대후드는원천기술이확 보된기술로서통풍관형후드에비해다음과같은차별적인특징을갖는다. Ÿ Ÿ 저감성능의차이 : 차세대후드는통풍관형후드보다미기압파저감효과가최대 12% 향상된최신기술임. 후드설치비용의차이 : 통풍관형후드를이용하여차세대후드성능으로저감효과를향상시키기위해서는 2배정도의후드길이가필요함. - 145 -
Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 운영관리의차이 : 통풍관형후드는후드지붕에여러개의통풍관이배열된구조로기후의영향을받게됨. 특히겨울에는눈이나, 얼음등이후드에형성되어후드의운영 / 관리에문제가발생되는단점이발생하나차세대후드는이러한단점을보완한구조임. 설계 / 시공의차이 : 통풍관형후드는아치형구조에서상부통풍관을고려해야하기때문에구조적안정성설계및시공에애로사항이있으나, 차세대후드는상부구조가간단하여설계및시공이용이함. 터널주변지형을고려한설치상의차이 : 산악지형및교량이있는경우후드길이가짧으면서성능이향상된후드를설치하여터널갱구주변지형및시설물과의간섭을최소화하는미기압파저감기술이필요함. 독자적인기술개발로해외철도미기압파시장경쟁력확보 : 통풍관형후드는국내특허만출원하여해외기술수출이불가능함. 그러나차세대후드는일본의기술에비해최대 22% 성능이향상된기술로서, 해외특허및기술수출을통한해외시장에서의경쟁력우위를점할수있음. 터널면적의축소에따른미기압파저감기술향상의필요성 : 터널건설비용의절감을위해전세계적으로터널면적은점차축소되고있어, 기존미기압파저감기술보다훨씬향상된기술의개발및적용이필요함. 아래표에통풍관형후드와차세대후드의차이점을요약함. 표 3.1.12 통풍관형후드와차세대후드의차이점 후드종류 최대성능 동일성능대비시공비용 운영 / 관리 설치 / 시공 기술경쟁력및해외시장진출 터널단면적의축소화 통풍관형후드 55% 차세대후드의 2배 기후의영향으로성능및관리상의문제 - 통풍관을고려한시공의어려움 - 지형에따라길이연장에어려움 해외진출시경쟁력열위 비용, 성능향상, 지형적인문제 차세대후드 72% 통풍관형후드의 1/2 통풍관형문제점보완 통풍관형문제보완 독자기술로경쟁국인일본기술보다우위 통풍관형후드의문제점해결 마. 시장성 철도터널미기압파저감과관련하여독일 (2012년) 과프랑스 (2010년) 는신규노선의철도터널들에일본신칸센의창문형후드를적용하고일본철도총합연구소에특허기술료를지불하고있음. 고속철도가처음도입된일본에서는이와같은소음과관련된기준이환경청 ( 현, 환경성 ) 에의해 1975년신칸센소음에관한환경기준이고시되었으며, 1995-146 -
년에는재래철도의신설또는대규모개량에서의소음대책지침이발표됨. 또한, 최근에는고속철도가지나가는터널주변에서발생하는미기압파의저감을위한시설물이추가로건설되었으며고속철도를운영하고있는프랑스, 독일등에서도미기압파저감시설대책을채택하여시행하고있음. 우리나라는아직구체적인철도관련소음기준은마련되어있지않은상황이지만산악지형이많은특성에따라철도노선에 2012년도기준 672개의철도터널이구축되어있어향후고속철도의전국운영에따른기존터널노선및신규건설터널노선에서의미기압파저감을위한대책도필요할것으로예상할수있음. 국내에현재설계중인 200km/h 급과 250km/h 급의신규고속철도의터널이 100개소이상이로터널이콘크리트궤도및최소내공단면적으로계획되어있어미기압파에발생에따른터널미기압파저감대책이시급한실정임. 아래표는 2012년기준철도구축물부설현황임. 표 3.1.13 철도구축물부설현황 2012.1.1 기준 ( 단위 : 개소, m) 교량 터널 용벽 개소 연장 개소 연장 개소 연장 3,013 410,893 672 526,263 5,880 728,168 경부선 512 36,392 61 26,262 628 117,607 중앙선 307 22,802 105 55,641 786 67,598 호남선 305 25,734 27 17,421 556 89,472 전라선 239 26,839 50 52,590 321 39,692 충북선 123 7,097 13 9,123 238 41,929 경인선 21 2,084 80 19,904 장항선 170 39,572 19 16,378 178 15,867 영동선 157 6,721 89 21,421 581 52,671 태백선 71 4,001 54 17,996 380 28,069 동해선 105 7,501 10 2,212 266 32,269 대구선 25 5,989 14 2,442 경전선 186 20,475 47 27,578 706 69,107 고속선 157 112,438 89 151,159 106 6,165 기타선 635 93,248 108 128,482 1,040 145,376 국내고속철도에서터널출구미기압파저감대책이필요한경우는콘크리트궤도를적용한준고속노선의터널로개략현황은다음과같다.( 코레일 - 중장기운송전략, 2012.08) 도담-영천 ( 중앙선 ), 동해선, 중부내륙철도, 서해선과같이최고운행속도 250km/h( 일부 200km/h) 에서최적설계의최소단면으로터널내공단면적을설계하는경우 ( 단선터널내공단면적 40m 2, 복선터널내공단면적 65~69m 2 ) : 완공예정터널수는 2024년까지 - 147 -
317개소로추산되며, 이중최소약 100개소이상에미기압파후드가필요할것으로예상됨. 아래그림은상기 2012.08 코레일의 " 중장기운송전략 " 을참조하여향후 10년간연도별터널준공추이를나타낸것임. 2016년부터매년 27-46개의신규터널이건설될것으로예상됨. 350 300 250 200 누적 터널수 162 200 231 259 286 317 150 131 100 50 0 93 47 46 35 38 31 38 12 2 2 10 31 28 27 31 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 그림 3.1.22 국내의연도별준공터널추이 상기터널시장규모와시장동향을고려하여향후후드가적용되는고속철도터널시 장전망치는아래그림과같다. 2016 년부터매년 10 개이상의터널에서미기압파저감 용후드의설치가필요한것으로예상됨. 그림 3.1.23 예정터널입구후드적용대상터널개소 - 148 -
3. 미기압파저감용차세대후드경제성평가 가. 경제성평가기법개요및특징 경제성평가의기본개념은한가지또는다수의대안에대해서비용 ( 투입자원 ) 대비수익 ( 결과 / 산출 ) 을비교하여대안의선택여부또는대안간의우선순위를결정하는것으로평가목적에따라다양한방법이사용됨. 수익을표시하는단위에따라 (1) 비용편익분석, (2) 비용효과분석의 2가지평가방법으로나눌수있으며아래에각방법의특징을비교 / 요약함. (1) 비용편익분석 (Cost-Benefit Analysis) 경제성평가시가장일반적으로사용되는방법으로비용과편익을화폐단위로표시하 며, 미래에발생하는비용과편익을현재가치로전환하여평가를하기때문에적절한 할인율을적용하여야함. 비용편익분석의기본절차는다음과같다. Ÿ 목표및가능한대안들을선정함. Ÿ 대안들에대한비용과편익을화폐단위로측정함. Ÿ 대안별비용과편익에대해적절한방법을이용하여대안을평가함. Ÿ 대안을비교하여최적대안을선정함. 경제적타당성을평가하기위해서편익과비용을비교하는방법에따라다음의 3 가지로 구분됨 : 순현재가치 (Net Present Value: NPV), 내부수익률 (Internal Rate of Return: IRR), 그리고편익 / 비용비율 (Benefit Cost Ratio: B/C) 이있음. ( 가 ) 순현재가치 (Net Present Value: NPV) 순현재가치란사업에수반된모든비용과편익을기준연도의현재가치로할인하여총편익에서총비용을제한값이며순현재가치 > 0이면경제성이있음은의미로해석함. 대안 i에대한순현재가치는다음의식으로나타냄.,, : 대안 i 실행시발생하는순편익의현재가치 : j 시점에서발생하는편익, j=1, 2,..., n - 149 -
: j 발생하는비용, j=1, 2,..., n r : 할인율 n : 대안의분석기간 Ÿ 대안선정의평가기준 : > 0 ; 대안선정 ( 이익이발생함을의미 ) < 0 ; 대안포기 ( 손해가발생함을의미 ) ( 나 ) 내부수익률 (Internal Rate of Return: IRR) 내부수익률은편익과비용의현재가치로환산된값이같아지는할인율 r을구하는방법으로현재가치계산을위한객관적인할인율의적용이어려울경우에유용하게사용됨. 즉, IRR은현재가치가 0이되도록하는할인율임. 내부수익률이사용하고자하는할인율보다크면경제성이있음이고판단함. 대안 i에대한순현재가치는다음의식으로나타냄. Ÿ 대안선정의평가기준 : ρ( 내부수익율 ) > r( 시장수익율 ) ; 대안선정 < ; 대안포기 ( 다 ) 편익 / 비용비율 (Benefit Cost Ratio: B/C) 편익 / 비용비율이란총편익과총비용의할인된금액의비율, 즉장래에발생될비용과편익을현재가치로환산하여편익의현재가치를비용의현재가치로나눈것임. 일반적으로편익 / 비용비율 > 1이면경제성이있음이고판단함. 여기서, : 대안 i 의현재편익 : 대안 i 의현재비용 - 150 -
Ÿ 선정의평가기준 : (B/C)i > 1 ; 대안선정 < 1 ; 대안포기 상기전술된경제성평가기법의특징을요약하면다음과같다. 표 3.1.14 비용편익분석기법의특징비교 분석기법판단기준장점단점 편익 / 비용비율 (B/C) B/C 1. 이해가용이. 사업규모고려가능. 상호배타적대안선택의오류발생가능 순현재가치 (NPV) NPV 0. 대안선택시명확한기준제시. 장래발생편익의현재가치제시. 한계순현재가치고려. 타분석에이용가능. 이해의어려움. 대안우선순위결정시오류발생가능 내부수익률 (IRR) IRR r. 사업의수익성측정가능. 타대안과비교가용이. 평가과정과결과이해가용이. 사업의절대적규모고려하지않음. 몇개의내부수익률이동시에도출될가능성내재 비용편익분석은다양한측정단위로표현되어지는비용과편익을화폐단위로적절하게변환해야하는문제, 미래의각기다른시점에서발생하는비용과편익을적절히예측하여야하는문제, 그리고미래의가치를현재가치로표현하기위해적절한할인율을선정하여야하는문제등으로, 의사결정자의주관에따라대안의선택이변화할수있는단점이있음. 따라서이러한불확실성을해결하기위해, 비용, 편익, 그리고할인율에대한민감도분석을통해상황에따라효율적인의사결정을하게됨. 또한대안이복수인경우상기 3개의기법이우선순위선정에있어서다른결과를도출할수있기때문에, 의사결정시사업의특성에맞도록대안을선정하는것이필요함. 가능한대안들에대한최적의의사결정을하기위해서는동일한비용이소요되는경우에는편익이가장큰대안을선택하고, 이와는반대로편익이같은경우에는비용이가장적게드는대안을선택하게됨. 일반적으로경제성평가를위해서는비용편익분석을기본적인방법으로사용하여분석하게되지만, 국가 R&D사업, 신규사업, 사회정책적사업또는결과가질적인개념으로산출되는경우와같이화폐단위를이용한가치측정이어렵거나불가능하여비용편익분석이적합하지않을시에는비용효과분석기법을이용하여대안들간의편익측정의문제를해결할수가있음. - 151 -
(2) 비용효과분석 (Cost- Effect Analysis) 효과적인대안도출을위해각대안들에대한비용과결과 ( 효과 ) 를비교하여최적의대안을선정하는방법으로, 투입비용은금전적가치 ( 화폐단위 ) 로측정하나, 결과는산출물단위를직접사용하게됨. 즉, 결과의측정이화폐가치로전환하기어렵거나동일한결과가산출되는경우, 효율적인대안평가에유용하게사용됨. 비용효과분석은크게고정효과접근법 (Fixed effectiveness approach) 고정예산접근법 (Fixed budget approach) 으로나눌수있으며, 기본적인차이점은다음과같다. ( 가 ) 고정효과접근법 : 결과 ( 효과 / 목표 ) 가정해져있는경우, 이결과를달성하는데가장적은비용이소요되는대안을선택하는방법으로특히, 비교대안들의투입비용과효과를평가하여동일한효과 ( 목표 ) 를산출하는데비용이최소화되는대안을선정할때효과적으로사용되는방법임. ( 나 ) 고정예산접근법 : 비용 ( 자원 ) 이정해진경우, 주어진비용하에서결과 ( 효과 / 목 표 ) 가최대가되는대안을선정하는방법임. 아래표에전술한경제성평가기법의특징을비교함. 표 3.1.15 경제성평가분석기법별특징비교 분석기법투입단위결과 / 산출단위비고 ( 측정기준 ) 비용편익분석화폐화폐 비용효과분석 화폐 공통의단일목표 ( 결과의비금액 ( 화폐 ) 화 ). 3 가지기법사용.. 측정단위가동일. 측정단위가다름 나. 차세대미기압파저감후드경제성평가 우리나라는고속철도에서터널건설시세계최대터널단면적을유지함가, 세계최소터널단면적 ( 운행속도 200km/h 급과 250km/h 급, 단선터널단면적 40m 2 ) 을적용하기시작함으로써, 건설비용을절감하게되었으나, 터널단면적의축소로고속철도의터널통과시심각한미기압파발생으로주변환경에영향을미치는환경문제에직면하게됨. 일본, 프랑스, 독일등철도선진국에서는신규터널건설시철도터널단면적을축소하고, 콘크리트슬라브궤도를적용하기때문에미기압파환경영향검토를수행하여비용이저렴하고효과적인미기압파저감후드를설치하고있음.( 일본, 독일, 중국등고속열차운영국들은 08년이후부터미기압파허용기준을마련하고건설단계부터저감시설을설계에반영 ) 아래표는해외주요고속철도운영국가들의터널특징및미기압파저감대책의적용현황에대해요약한것임. - 152 -
표 3.1.16 주요고속철도선진국들의터널사양및미기압파저감대책적용현황 구분일본독일한국 노선조예츠신칸센도호쿠신칸센신선나가노신칸센 큐슈신칸센 Karlsruhe- Basel 신선 중앙선 ( 도담 - 영천 ) 원주 - 강릉신선 최고속도 245km/h 260km/h 260km/h 250km/h 250km/h 표준터널내공 63.4m², 62m² 40m²( 단선 ) 63.5m² 63.5m² 단면적 65m², 66m² ( 단선터널 ) 66m²( 복선 ) 콘크리트궤도콘크리트궤도콘크리트궤궤도구조방식콘크리트궤도콘크리트궤도 ( 발라스트궤도 ) ( 발라스트궤도 ) 도미기압파저감적용함적용함적용함적용함미정대책적용현황적용기준일본신칸센의산악터널설계시공표준미정 적용방법 터널연장 100m 이상의터널을대상으로미기압파허용기준만족여부에따라설치함 미정 일본은도호쿠신칸센의터널미기압파의폭발음발생등으로이미미기압파저감기술을개발하여적용하고있으나, 우리나라는중앙선등의 250km/h 급단선터널에서중요설계사양이일본의경우에비해부족하기때문에미기압파폭발음이국제기준치이상으로매우크게발생될것이확실시되고있음. 아래표는미기압파가발생한일본의터널보다단면적이훨씬작은우리나라노선의상황을비교한것임. 표 3.1.17 일본과한국터널의미기압파발생현황비교 국가진입속도노선명터널탄면적터널명터널길이폭발음 일본 일본 220km/h 220km/h 도호쿠신칸센도호쿠신칸센 63.4m² 제 2 오오츠키 260m 크게발생됨 63.4m² 후쿠시마 11.7km 매우크게발생됨 한국 250km/h 중앙선등 63.4m² 전체터널전체연장매우크게발생확실 따라서, 향후건설되거나개량될기존터널의사양이상기표의경우와비슷한것으로보아, 고성능의터널미기압파저감기술이절실히필요한실정임. 본보고서에서는차세대미기압파저감후드의경제성평가를통해후드설치시의비용절감을통한직접편익을분석하도록함. 터널미기압파저감후드설치는시공비가저렴하여, 향후건설될터널에사용될운행속도 200km/h 이상의고속철도에서궁극적으로최적설계의최소터널단면적에서적용되기때문에최선의터널건설비절감방안이될수있음. 대안들의경제성평가를위해다음의가정사항을이용함. < 가정사항 > - 153 -
터널건설비용및기준단면적 Ÿ 터널건설비용은경부고속철도건설비용인 km당 250억원을기준으로함. Ÿ 터널단면적을 20% 저감시키면건설비가 10-15% 절감되기때문에, 본연구에서는보수적으로 10% 절감되는것으로가정함. Ÿ 기준단면적은경부고속철도의터널단면적 (107m²) 을적용함. 후드설치개수및비용 Ÿ 후드설치개수는터널당입구와출구에각 1개소씩설치하고, 후드설치비용은개소당 7억원으로가정함. < 경제성평가 > 분석평가기법 - 비용효과분석사용 Ÿ 국내에서미기압파저감후드가사용되어실행중인사례는아직없기때문에, 구체적인비용및편익에대한자료의확보가현실적으로어려운상황임. 따라서, 본보고서에서는편익 ( 목표 ) 을소음허용기준으로정하고 ( 일본의 50db/ 독일의 20db), 목표를달성하기위해비용이최소화되는대안을선정할수있는비용효과분석기법을사용함. 경제성분석을통한최적대안선정 Ÿ 대안 i 총비용 =(km 당건설비용 x 터널연장 )+( 후드 1개소당설치비용 x 2) Ÿ 대안 i 의경제성 ( 절감액 ) = 기준대안총비용 - 대안 i 총비용 경제성분석결과 (1) 단선터널의경우 기준대안으로는독일의철도터널의단면적 (62m 2 ) 을사용하였고, 비교대안으로는중국고속철도의터널단면적 (48m 2 ), 그리고우리나라중앙선의터널최소단면적 (40m 2 ) 을비교함. 해외국가들은이미미기압파저감후드를적용하고있기때문에기준대안대비비교대안들의 km당터널건설비용절감액만을산출함. - 154 -
단면적 ( 대안 ) 표 3.1.18 비교대안단면적별건설비절감액비교 단면적축소비율 (%)* km 당터널건설비용 62m ² 42.06 197 48m ² 55.14 181 [ 비용단위 : 억원 * 단면적 (107m 2 ) 기준 ] 국가 / 터널속도비고 독일 / Karlsruhe-Basel 신선 중국 / 수이유고속철도 250km/h 200km/h 40m ² 62.62 171 한국 / 중앙선 250km/h 미기압파후드적용 미기압파후드적용 통풍관형후드적용시미기압파저감가능 아래그림에서보듯이우리나라중앙선의터널에차세대후드를적용시해외국가들의경우처럼미기압파저감효과를내면서 (200km/h의속도에서허용기준만족 ), 건설비용은 62m 2 에비해 km 당약 26억원의절감효과를나타내었고, 48m 2 단면적터널보다는약 10억원의비용절감효과를나타냄. 또한 48m 2 단면적의터널은 62m 2 단면적에비해 km당 16억원의건설비용이절감되는것으로나타남. 그림 3.1.24 단선터널단면적별 Km 당절감액비교 아래표에보듯이, 독일의터널단면적에대한 km당건설비용대비단면적 48m 2 는약 92% 의비용으로터널건설이가능하며, 최소단면적 (40m 2 ) 인경우에는약 87% 의비용으로터널건설이가능하여, 13% 의건설비용절감효과를얻게됨. - 155 -
표 3.1.19 독일철도터널단면적대비대안단면적별총비용및절감액비교 단면적 ( 대안 ) 1km 당터널건설비용비율 (%) 1km 당터널건설비용절감비율 (%) 허용기준 (50 Pa) 62m ² - -. 허용기준만족 48m ² 91.7 8.3. 허용기준만족 40m ² 86.984 13.1. 200km/h 의속도로진입시허용기준만족. 200km/h 이상진입속도에의한허용기준초과시후드길이또는성능향상등으로허용기준만족가능 아래그림에단면적별 km 당건설비용과절감비용에대한비율을나타냄. 그림 3.1.25 단선터널건설 km 당총비용및절감액비교 아래표에 40m 2 최소단면적적용시절감되는비용의가치에대해서요약함. 독일고속철도의단면적 62m 2 대비 40m 2 의단면적으로시공할경우, 1km 터널건설시절감비용으로 1.86 개의터널에차세대후드 (1터널당 2개소 ) 를설치할수있으며, 추가건설이가능한터널길이는 150m로나타나후드의비용절감효과가큰것을알수있음. 또한단면적 48m 2 와비교시 1km 터널시건설비용으로 0.67개의터널에차세대후드를설치할수있으며, 추가건설이가능한터널길이는 55m로나타나후드의비용절감효과가큰것을알수있음. - 156 -
표 3.1.20 터널최소단면적 (40m 2 ) 적용시 km 당절감액의가치비교 대비단면적 후드설치가능터널수 터널추가건설길이 비고 62m ² 1.86 0.1502km 48m ² 0.67 0.0546km (2) 복선터널의경우 기준대안으로는 250km 급고속철도용터널로건설이가능한 85m 2 단면적을사용하였고, 비교대안으로는우리나라중앙선터널최소단면적 (66m ² ) 과 3개의대안단면적 (80m 2, 75m 2, 70m 2 ) 을선정하여각대안들의터널건설비용절감액 ( 경제성 ) 을산출함. 모든대안들에대해서후드적용을가정하였고, 교차비교를위해 ( 가 ) km당절감액과 ( 나 ) 경부고속철도터널연장기준총절감액비교를통한절감액효과를분석함. ( 가 ) km당절감액비교 터널의단면적들에대한 km 당비용절감액을비교한결과, 중앙선의터널에차세대후드를적용시건설비용은 70m 2 에비해 km 당 4억원의절감효과를나타내었고, 75m 2 단면적터널보다는 10억원의비용절감효과를나타냄. 또한 80m 2 단면적에비해 16억원의절감효과가있었고, 85m 2 단면적에비해 km당 22억원의건설비용이절감되는것으로나타남 ( 표 3.1.21참조 ). 그림 3.1.26 복선터널단면적별 km 당절감액비교 ( 나 ) 경부고속철도터널연장기준총절감액비교 경부고속철도터널연장기준으로 85m 2 단면적대비 80m 2, 75m 2, 70m 2 단면적을적용할경우총절감액은각각 1,139억원, 2,278억원, 3,417억원의비용절감효과가있으며, 최소단면적인 66m 2 인경우, km당터널건설비용은 22억원이절감되며, 총 4,328 억원의비용이절감되는것을알수있음. - 157 -
단면적 ( 대안 ) 단면적축소비율 (% ) 표 3.1.21 터널단면적별건설비절감액비교 [ 비용단위 : 억원 * 경부고속철도터널연장 195km 적용 ] km 당터널건설비용 총터널건설비용 * 총비용절감액 국가 / 터널 85m ² 20.56 224 43,738 - - 80m ² 25.23 218 42,599 1,139-75m ² 29.91 212 41,460 2,278-70m ² 34.58 206 40,321 3,417-66m ² 38.318 202 39,410 4,328 한국 / 중앙선터널 또한, 중앙선의터널에차세대후드를적용시터널총건설비용은 70m 2 에비해총 911억원의절감효과를나타내었고, 75m 2 단면적터널보다는 2,050억원의비용절감효과를나타냄. 또한 80m 2 단면적의터널보다는 3,189억원의절감효과를나타내었고, 85m 2 단면적보다는총 4,328억원의건설비용이절감되는것으로나타남. 그림 3.1.27 복선터널단면적별총절감액비교 다양한터널단면적을이용한단선터널과복선터널의건설비용검토결과, 최소단면적의터널에후드를적용함으로써, 미기압파를효과적으로저감하는 경제성있는대책으로분석됨. ( 다 ) 중앙선도담-영천기타설계공구의후드적용에의한경제성분석 중앙선도담-영천기타설계공구의실시설계기술심의를한국철도시설공단공문일반철도처-1959 (2015.04.07.) 과일반철도처-2159 (2015.04.20.) 으로완료함. 이때상정안건에 터널미기압저감시설적용적정성심의 내용에서미기압파저감방법별공사비비교가있으며 10개소설치에대한비교에서후드설치시는 42억원 ( 특허료개소당 0.5억원포함 ), 터널단면확폭시에는 685억원, 터널에통풍공설치시에는 402억원으로후드설치시에공사비절감액이 - 158 -
최소 360 억원의효과가있음이비교되어있음. 그림 3.1.28 터널미기압파저감방법별공사비비교 - 159 -
4. 결론및향후방향 일본, 독일, 중국등고속열차운영국가들은 2008년이후부터미기압파허용기준을마련하고건설단계부터저감시설을설계에반영하도록하고있으나, 우리나라는아직구체적인철도관련소음기준은마련되어있지않은상황임. 향후철도의고속화에따른기존터널및신규터널건설시미기압파에의한소음및관련문제점을저감하기위한대책이필요한실정임. 철도터널미기압파를저감하기위한대책은여러가지방법이있으나, 미기압파저감후드를설치하는것이가장효율적인방법으로알려져있으며, 유럽, 일본, 대만등에서도미기압파저감후드를사용한대책을사용하고있음. 따라서, 본보고서에서는터널내부로의고속열차진입에의하여생성된압축파가터널의출구에서충격성소음으로변환되어주변민가등에환경적영향을미치는미기압파의저감대책인차세대후드의경제성분석을시행함. 분석결과는다음과같다. 가. 차세대후드기술의수준 (1) 차세대후드를기준으로각기술간최대저감성능비교시통풍관형후드는차세대후드의약 83%, 그리고일본의창문형후드는차세대후드대비약 70% 의기술수준을나타내고있음. (2) 따라서, 차세대후드는경쟁기술인일본의창문형후드에비해기술수준및경쟁력에서앞서있는것으로나타남. 나. 차세대후드기술의미기압파저감효과 (1) 향후건설될 200km/h 이상의고속열차운행용터널단면적 (40m 2 ) 에대한실험결과터널연장에상관없이모든터널 (1km 이하, 3km, 7km 이상 ) 에서미기압파가허용기준을초과하는것으로나타남. (2) 미기압파의영향을받지않기위해서는 175km/h-216km/h 로속도를감속해야하는상황이발생하게되어, 열차의정시운행의불확실성등고객서비스의문제가발생할가능성이높다. (3) 반면후드를설치하였을경우최소 200km/h의속도로진입이가능하며, 특히 1km미만의터널에서는 250km/h의속도로감속하지않고진입하여도미기압파의허용기준을만족하게됨. (4) 터널연장이 3km 이상의중 장대터널일경우, 터널의특징에따라, 후드의길이연장또는개수증가등의추가적인저감대책을활용하여허용기준을만족시킬수있을것으로예상됨. - 160 -
다. 차세대후드적용시의건설비용절감을통한경제적이익의효과 (1) 단선터널의경제성분석 독일의철도터널의단면적 (62m 2 ), 중국고속철도의터널단면적 (48m 2 ), 그리고우리나라중앙선의터널최소단면적 (40m 2 ) 을비교한결과, 우리나라중앙선의터널에차세대후드를적용시해외국가들의경우처럼미기압파저감효과를내면서, 건설비용은 62m 2 에비해 km 당약 26억원의절감효과를나타내었고, 48m 2 단면적터널보다는약 10억원의비용절감효과를나타냄. 독일의터널단면적에대한 km당건설비용대비단면적 48m 2 는약 92% 의비용으로터널건설이가능하며, 최소단면적 (40m 2 ) 인경우에는약 87% 의비용으로터널건설이가능하여, 독일터널단면적대비약 13% 의건설비용절감효과를얻게됨. (2) 복선터널의경제성분석 ( 가 ) km당절감효과 터널의단면적들에대한 km 당비용절감액을비교한결과, 중앙선의터널에차세대후드를적용시건설비용은 70m 2 에비해 km 당 4억원의절감효과를나타내었고, 75m 2 단면적터널보다는 10억원의비용절감효과를나타냄. 또한 80m 2 단면적에비해 16억원의절감효과가있었고, 85m 2 단면적에비해 km당 22억원의건설비용이절감되는것으로나타남. ( 나 ) 경부고속철도터널연장을기준으로한총절감효과 중앙선의터널에차세대후드를적용시터널총건설비용은 70m 2 에비해총 911억원의절감효과를나타내었고, 75m 2 단면적터널보다는 2,050억원의비용절감효과를나타냄. 또한 80m 2 단면적의터널보다는 3,189억원의절감효과를나타내었고, 85m 2 단면적보다는총 4,328억원의건설비용이절감되는것으로나타남. 세계적으로터널건설시건설비절감방안으로터널최소단면적을적용하고있으며, 이로인해미기압파에의한환경적인영향은계속될것으로예상됨. 따라서, 후드의적용에의한보다효율적이고경제적인미기압파저감대책이필요할것임. 향후보다구체적인후드의효과분석을위해서는최소터널단면적과의비교를통한기본적인비용절감차원에서의경제성평가뿐만아니라다양한요인들을고려한다차원적인분석이필요할것임. 이를위하여, 1 미기압파에영향을미치는공학적인변수들을고려한후드의저감효과산정 터널내열차진입속도의변화, 터널단면적의변화, 열차성능 / 종별 / 전두부형상, 터널연장의변화를고려한차세대후드의저감효과에대한구체적인데이터의확보가필요함. - 161 -
2 미기압파저감기준을만족시키는 ( 후드를미적용한 ) 최적터널단면적산정 후드가필요하지않은최적의터널단면적을산정함으로써, 이단면적보다축소된터널단면적에후드를적용하였을시의비용절감액을계산하여후드의효율성및가치를평가하여야할것임. 3 해외사례를분석하여다차원적인경제성분석을위한신규요인도출 해외의미기압파저감대책및저감기준을분석하여주요미기압파영향관련요인을도출하고이를이용하여향후한국형미기압파저감기준제정을위한연구가필요할것임. 2 절정책적타당성 녹색교통추진전략에따라국내철도망에대한대폭적인확대추진 Ÿ 철도연장을현재 3,557km에서 2020년까지 4,934km로확충하고, 현재 49.6% 인철도복선화율을 79.1% 로, 60.4% 인전철화율을 85.0% 제고 Ÿ 건설 운영중인철도노선의고속화를통해철도최고속도를기존의 150km/h 수준에서 230km/h로향상 Ÿ 도시 광역철도망을 2012년까지기존 831km에서 1.3배수준인 1,054km로확대하며, 운행방식도점차거점역정차또는교차정차중심의급행위주로개선 녹색교통추진을위하여전체교통분야 SOC 투자중철도비율을현재 29% 에서 2020 년 50% 까지확대하는한편, 사업비절감을위한새로운설계기준마련추진필요 Ÿ 2020년까지철도망확충에 88조원의투자가필요하며, 부문별로는고속철도 16 조원, 일반철도 46조원, 광역철도 26조원이소요전망 Ÿ 88조원의소요재원확보는국비 59조원, 지방비 3조원, 민자유치 공기업 기타 26 조원등으로조달예정 Ÿ 교통부문 SOC 투자의철도분야확대와함께투자재원의효율적집행을위하여철도구축사업비절감을위한새로운설계기준마련추진필요 제3차중기교통시설투자계획 이목표로하는저탄소녹색성장을견인및교통SOC 의적기확충을통해물류비용등사회경제적비용감축이라는목표달성을위하여본사업의추진필요 제2차국가철도망구축계획 은 2020년에 KTX 고속철도망을통해전국주요도시를 1시간 30분대로연결하는것을목표로하고있으며, 본사업을통해이의조기실현및소요예산절감이가능 Ÿ 국가철도망구축계획 은국토해양부의철도분야 10년단위중장기투자계획으로저탄소녹색성장, 5+2 광역경제권발전전략등에대응하고, 미래녹색국토구현 - 162 -
을위한 KTX 고속철도망구축전략의실천계획으로서 제2차국가철도망구축계획 을수립 Ÿ 철도연장을 3,557km에서 4,934km로확충되고, 복선화율은 49.6% 에서 79.1%, 전철화율은 60.4% 에서 85.0% 로제고 표 3.2.1 철도사업표준공사비 ( 기준단가 09. 5 월, 억원 /km) 구분단위일반철도 200km/h 고속화철도 230km/h 단선 350km/h 고속철도 복선 350km/h 1. 시설비 km 284 298 256 365 비고 토공 일반구간 km 99 99 89 108 연약구간 km 128 128 133 162 노 반 교량터널정거장 과선교 km 34 34 73 104 일반구간 km 303 303 239 356 연약구간 km 374 374 257 425 산악터널 km 195 195 168 240 도심터널 km 548 548 - - 개착 BOX 토공부 개소 141 141 132 203 교량부 개소 687 687 1,218 2,030 2홈 4선 궤도 km 21 21 26 37 건물 km 19 19 8 12 전력 km 7 7 4 5 신호 km 18 18 13 19 통신 km 10 10 10 14 전차선 km 21 21 15 21 2. 부대비 % 24 24 21 30 시설비 8.1% 3. 용지보상비 km 38 38 27 39 일반철도표준공사비는 철도투자평가비용부문의합리화방안연구 철도공단 의공사비적용 일반철도교량부정거장폭 연장 고속철도정거장폭 연장 적용 고속철도는 호남고속철도실시설계 건축시스템기본설계반영 결과반영 철도인프라의각분야가건설비에서차지하는비중을알아보기위하여 철도사업표준공 - 163 -
사비를조사하였음. 일반철도와고속화철도, 고속철도로구분하여 km당단가를표시하고있음 표 3.2.1에서정거장은 km당단가가아니며, 개소당단가이므로다른분야와직접적으로비교할수는없어서, 호남고속철도의평균역간거리가약 50km이므로이를반영하면고속철도복선교량구간의정거장인경우 km당 40.6억원으로궤도와비슷함. 고속철도정거장의경우건설비가일반철도에비하여 2배정도되고있음 그림 3.2.1 철도인프라분야별건설비비율 ( 호남고속철도 ) 표 3.2.1과그림 3.2.1은철도사업표준공사비에서복선고속철도의연약지반에서의분야별공사비를비교한것임. 교량이전체의 43.6% 를차지하고있으며다음으로터널, 토공순이며정거장, 궤도등이 3% 이상을비율을나타내고있음 이외의건축 ( 건물 ), 전력, 전차선, 신호, 통신등은 1% 수준의비율을차지하고있음 호남고속철도의경우에는평야지대를운행하기때문에전체노선에서터널이차지하는부분이약 20% 정도이지만, 현재시공중이거나설계중인원강선, 중앙선, 동해선, 중부내륙철도, 서해선등은전체노선에서터널이차지하는비중이평균 50% 가넘기때문에건설비절감의효과는터널, 교량, 토공, 정거장등의순서로효과가있을것으로판단됨 - 164 -
현재국내의터널은거의 100% 국내의기술로설계및시공되고있지만국내에서독창적으로개발한기술보다는외국의기술과장비를들여와서사용하고있으며, 이는국내실정에적합한터널기술로의발전을더디게하며아직도시공분야를제외하고는선진외국의터널기술과상당한격차가있음 고속열차차량의경우는국토부의차량안전기준에관한규칙에따라 200km/h 급이상의고속열차에대하여차체기밀도 18이상으로제작되기때문에터널건설비저감을위하여터널최소단면적에서의운행에크게문제가되지않지만, 터널미기압파문제에대해서는터널단면적최소화설계에자유롭지않음. 철도터널의경우에최적화된최소단면적에서열차가고속으로운행하기위해서는터널미기압파저감대책기술개발이필요하며, 앞절의경제성분석결과에서와같이건설비저감기여율이크다고판단할수있음. 참고문헌 : 이지하외, 철도인프라성능및건설비최적화를위한기반기술개발기획보고서, 2012. 2.2, 한국철도기술연구원 3 절기술적타당성및필요성 1. 기술개발필요성 현재설계중이나계획된 250km/h 급신규고속철도 ( 중앙선, 원주-강릉선 ( 건설중 ), 서해선, 동해선, 중부내륙철도등 ) 의 100개소이상터널에서미기압파저감대책기술이필요하고, 현장적용성에대한연구가필요함. 향후고속철도수출시독자기술의원천기술과실용화실적이필요함. 2017년완공의원주-강릉선을필두로중앙선, 문경-충주선, 서해선, 동해선, 중부내륙철도등이계획되어있으나, 국내에서 200km/h 급이상의콘크리트궤도에서의소단면터널 ( 복선 :66m 2, 단선 :40m 2 ) 건설이처음이라, 터널미기압파환경영향평가예측 / 검증관련하여현장시험데이터를확보할철도현장이없으며, 환경영향평가해석기술의신뢰도를평가할수없음. 이에일본신칸센에서 17년동안축척된터널미기압파현장시험데이터에근거한데이터뱅크와대책기술을국내에활용할수밖에없으나, 일본 J-slab 콘크리트궤도, 신칸센터널단면적 ( 복선 :64m 2 ), 일본고속열차의운행특성에맞추어진데이터뱅크라활용하는데제한이있으며, 국내실정에맞는실용화기술개발과현장시험데이터가필요함. Ÿ 국내에소단면터널의미기압파현상에대한현장데이터가전혀없는현실이며, 미기압파저감후드의성능에대해서는국내현장시험데이터가전무한실정임. - 165 -
Ÿ 현재철도선진국은미기압파저감후드의현장적용효과에대해서정확한현장데이터를확보하고있으며, 국가별로터널의형식및내부구조, 열차의형태등이상이하여각국마다미기압파의발생형태가다양하게발생하여, 우리나라에서도현실에맞는데이터취득및미기압파저감후드의성능평가가정량적으로이루어져야만해외로의기술이전및수출등이가능하며, 앞으로열차의고속화및해저철도터널등에대응이가능하며, 이러한기술이완성되기전에는터널단면적의증대및열차속도제한등많은고비용의요소가상존하고있어철도인프라확충에많은애로가발생하게될것임. 실용화본과제가도출되면, 원주-강릉선장대터널의터널미기압파관련제반문제를해결함과동시에터널연장별현장시험을병행하여원주-강릉선이후에건설되는중앙선, 문경-충주선, 서해선, 동해선, 중부내륙철도의터널미기압파문제에대한실효성있는대책을마련함과동시에꼭필요한터널에만미기압파대책을적용할수있는설계데이터뱅크를확보할수있으며, 터널최적단면적설계, 사갱과기재갱의활용성, 국내에적용된레다-2000(Rheda-2000) 콘크리트궤도와궤도변공동구의공기역학적특성, 국내운행고속열차의미기압파기여특성을파악할수있어긍극적으로터널건설비건전화에크게기여할수있음. 또한, 세계최고수준인일본신칸센미기압파저감후드보다미기압파저감성능이 22% 더뛰어나고, 시공성과적용성이우수한한국형미기압파저감후드의원천기술을국내에서개발하였으나, 실험실수준에서검증된기술로서철도현장테스트- 베드에서의성능시험으로공기역학적튜닝시험으로최적화과정이필요함. Ÿ 즉, 현장시공및현장시험을통하여원천기술의현장적용성및성능평가가필요함. Ÿ 국가시설인철도인프라시설물의다양한터널에적용하기전에반드시성능평가및검증절차가필요함. 시급성 : 250km/h 급 (200km/h 급 ) 으로건설또는설계중인신규철도에서많은개소의후드가필요한실정임. 터널미기압파저감후드는현장검증으로설치되어야함. 현장검증없이설치하려면, 일본신칸센후드기술을수입하여적용하여야함. 2016년부터원주- 강릉선을시작으로총 100여개소의후드수요가예상됨. Ÿ 원주-강릉선터널단면적 66m 2 의장대터널 6개소터널 : 후드 12개소 Ÿ 도담-영천선터널단면적 40m 2 의장대터널 5개소터널 : 후드 10개소 Ÿ 문경-충주선터널단면적 40m 2 의장대터널 3개소터널 : 후드 6개소등 2. 기술적타당성전문가평가 가. 기술적타당성평가설문항목 - 166 -
기술적타당성분석결과에대해각항목별로전문가의설문조사를위한설문은다음 의표와같음 평가항목 평가내용 평가결과 (5점척도 ) 1. 사업목표가구체적인가? 매우그렇다그렇다보통그렇지않다매우그렇지않다 기술개발계획의적절성 기술수준및성공가능성 기존사업과의중복성 2. 사업내용이논리적이고적절한가? 3. 사업추진전략이구체적이고도출근거가제시되었는가? 4. 사업추진체계가적절한가? 5. 성과평가및관리체계가적절한가? 6. 연구개발계획이완전하게수립되었는가? 7. 보유기술수준이적절히평가되었고기술개발기대수준이적절한가? 8. 기술개발역량및잠재력이충분한가? 9. 기술적위험요인은충분히대비되어있는가? 10. 기술개발이성공할것으로예상되는가? 11. 기존사업과의중복성이적절히검토되었고중복가능성은없는가? 표 3.3.1 기술적타당성분석평가항목 매우그렇다그렇다보통그렇지않다매우그렇지않다 매우그렇다그렇다보통그렇지않다매우그렇지않다 매우그렇다그렇다보통그렇지않다매우그렇지않다 매우그렇다그렇다보통그렇지않다매우그렇지않다 매우그렇다그렇다보통그렇지않다매우그렇지않다 매우그렇다그렇다보통그렇지않다매우그렇지않다 매우그렇다그렇다보통그렇지않다매우그렇지않다 매우그렇다그렇다보통그렇지않다매우그렇지않다 매우그렇다그렇다보통그렇지않다매우그렇지않다 매우그렇다그렇다보통그렇지않다매우그렇지않다 나. 기술적타당성평가설문결과 기술적타당성평가설문결과는다음의표와같음 전문가의기술적타당성평가결과에따르면각항목별로모두 5 점척도중평균 4 점이 상으로서기술적타당성이있는것으로분석됨 - 167 -
표 3.3.2 기술적타당성분석전문가평가결과 문항 A위원 B위원 C위원 D위원 E위원 F위원 G위원 H위원 I위원 J위원 K위원 평균 문항1 5 5 5 5 5 5 5 4 4 5 5 4.82 문항2 5 5 4 5 5 4 5 4 4 5 5 4.64 문항3 5 5 5 5 5 5 5 4 4 5 5 4.82 문항4 4 5 4 5 5 5 4 4 4 5 5 4.55 문항5 4 4 4 4 5 4 4 4 4 5 5 4.27 문항6 4 5 4 5 5 5 5 4 3 5 4 4.45 문항7 5 5 4 5 5 5 5 5 4 5 4 4.73 문항8 5 5 5 5 5 5 5 5 3 5 4 4.73 문항9 4 4 4 4 5 4 4 3 3 5 5 4.09 문항10 5 5 4 5 5 5 5 5 4 5 5 4.82 문항11 4 5 5 4 4 5 5 4 3 5 3 4.27 4 절정부지원타당성 1. 기술개발투자의시의성, 시급성 현재설계중인 100개소이상의터널이콘크리트궤도및최소내공단면적으로계획되어있어미기압파에따른민원급증예상 철도건설이완공된후에저감대책을적용할경우열차운행안전성, 지장물이설, 매몰비용추가, 산악지형조건등으로공사비약 5~6배증가 국내에서운행되는경부고속철도와호남고속철도에서는대단면의철도터널을적용하여그동안터널미기압파문제에관심을가지지않았지만, 현재설계되고있는신규고속철도는전부소단면철도터널과콘크리트궤도를적용하기때문에터널미기압파문제에대한대책이필요하게되었음. 한국, 유럽, 중국, 일본등에서는앞으로신선건설에서유지보수와하중문제로콘크리트궤도가적용될것임. 터널출구에서방사되는미기압파는소닉붐 (sonic boom) 으로대부분이저주파성분이기때문에선로변의방음벽시설로저감시키거나막을수없음. 최근 2005년이후유럽과일본, 중국, 대만등의신규고속철도들은발라스트궤도에서콘크리트궤도로바뀌어개통되고있는데, 콘크리트궤도의공기역학적특성때문에전부터널입구에미기압파저감후드 (hood) 를설치하고있음. 운행속도 200km/h 이상의고속철도에서터널미기압파저감후드대책은시공비가저 - 168 -
렴하며, 궁극적으로최적설계의터널단면적에서적용되기때문에최선의터널건설비절감방법임. 최소내공단면적과콘크리트궤도를적용한 250km/h 급신규고속철도터널이 100개소이상이라터널미기압파저감대책이시급하고, 고속철도수출시독자기술의원천기술과철도현장적용실적 ( 실용화 ) 이필요함. 현재설계중인도담-영천중앙선, 동해선, 이천-충주철도건설등국내대부분의철도건설에서터널의최소내공단면적과콘크리트궤도를적용하게되는데, 이러한조합의경우에터널출구에서미기압파라는충격성환경소음 진동이크게터져나오는문제점을수반하고있음. 2017년원주-강릉신선을시작으로 2025년이후까지많은수의노선이개통예정으로있으며, 200km/h 이상의고속열차운행시에터널미기압파문제가발생할우려가매우높으므로기술개발을통한저감대책확보가매우시급한실정임. 본선 TEST-BED 에서의실용화기술개발을통하여현장상용화가이루어지려면 3년정도의기간이필요하며, 이를위한기술적투자가절실함. 또한곧개통하는원주-강릉신선등을대비하여시운전시험중에설치가용이한미기압파후드의첨단재료및급속시공기술개발이시급한실정임. 2. 국토부주도의개발및지원필요성 현재 200km/h 급과 250km/h 급으로설계중인중앙선도담-영천철도건설, 중부내륙이천-충주철도건설, 동해선포항-삼척철도건설과건설중인원주-강릉신선등은콘크리트궤도를적용하기시작하였고, 전체철도건설비를절감하고자복선및단선의터널단면적을최소내공단면적 ( 단선 40m 2, 복선 66m 2 ) 으로설계되고있어서 100여개소이상의터널입 / 출구주변민가에터널미기압파라는충격성소음 / 진동피해가크게발생될것으로예상되므로정부지원의저감대책마련이시급하고절실히필요함. 신규철도노선에서전체철도건설비를절감하고자최소터널단면적으로설계를결정한후의문제점인터널미기압파환경소음 / 진동문제는정부에서효율적이고저렴한대책으로지원유도할필요성이있음. 터널미기압파저감후드의실용화기술은표준도면, 공사시방서, 후드를적용하는경우의분석및평가방법등이종합적으로포함되어야하며, 국가연구개발과제를통해이를구현하여표준설계지침을마련할경우, 설계및시공현장에서의혼선을최소화하고이에대한공신력을확보할수있는장점이있음. 따라서본대책기술은국가지원에의하여개발되어야하며, 국가주도보급기술이되어야할필요성이절실함. - 169 -
3. 정부미지원시문제점 미기압파관련기술은국가간선철도망과관련된기술이며, 민간주도로개발되어특정업체및기관의독점공급기술이되는경우에는건설시민간업체와발주기관과의마찰소지가있으며, 실제적인적용시에도비용절감효과가감소되어국가예산집행의효용성및기술보급측면에서불리한측면이있을것으로예상됨. 또한, 본개발기술은운영중인철도터널의문제해결을위한기술로도활용이가능하므로향후지속적인철도고속화를위해서도정부주도의기술개발이절실히필요함. - 170 -
4 장연구개발과제구성및추진전략 1 절비전및최종목표 1. 비전및최종목표 가. 연구개발비전 터널미기압파저감대책의성능및건설비최적화를위한실용화기술개발사업의정의 및사업목적에맞추어동사업의비전, 목표및추진전략을다음과같이설정 철도터널단면적축소에의한건설비저감및기존고속철도속도향상시의문제점인민가에미치는터널미기압파환경소음 진동문제를저렴한대책으로해결하는것을본연구의비전으로삼음. 민가에미치는터널미기압파환경소음 진동문제를해결하고자하는비전을실현하기위해터널미기압파저감대책시스템엔지니어링과정을정립하고경량화설계및공용중시공기법개발, 환경영향평가기법및검증, TEST-BED 현장계측데이터뱅크구축의핵심기술개발을목표로함 - 171 -
핵심기술개발을위한전략으로서, 실용화및 TEST-BED 구축을고려하여시스템엔지니어링프로세스에따른복합재료적용의공용중시공기술을개발하고자함 터널미기압파저감대책기술을구성하는하위기술간의인터페이스성능을검증하고타이트한저감성능확보를위해시뮬레이션기술을개발하고자함 국내최소단면철도터널에서고속화운영에대한성능확보검증을위해축소모형의열차모델터널주행시험기 (moving model rig) 를활용하고, TEST-BED 에서의실증시험을실시하는것을또하나의목표로함 터널미기압파저감대책의실제설계를위한기준및시공을위한시방서를작성함. TEST-BED 에서의실대형터널미기압파저감대책구축을위한설계도를작성하고시공하여완성함. 축소실증모형의터널주행시험과실대형후드의 TEST-BED 에서의시험평가를실시하여검증함. 나. 최종목표 최근국 내외터널설계추세가내공단면적축소를통한건설비절감, 유지관리의효율성을고려한콘크리트궤도공법적용그리고열차의고속화추세임. 이때나타나는문제점인터널미기압파환경소음 진동문제를저렴한대책으로실용화하는핵심기술개발기획 목표 1 목표 2 목표 3 다양한연장의소단면터널들의고속철도 Test-bed 구성을통한터널미기압파상시모니터링시스템구축및실선로시험평가, DB 뱅크구축공용중시공성을고려한구조및소재의터널미기압파저감후드핵심성능평가및시제품개발세계최고성능의기존후드대비 20% 향상된터널미기압파저감후드실용화기술개발 - 172 -
2. 단계별연구목표및내용 가. 1 단계연구목표및내용 (3 년 ) 1 단계연구목표주요연구내용 준고속철도용터널 미기압파저감대책 실용화기술개발 250km/h 급고효율후드의실용화를위한통합설계및평가기술개발 국내외현장시험데이터의분석으로환경영향평가경험식의경험상수평가 초고속터널주행열차모델시험장치에 1/60축척실형상터널및후드설계 / 제작, 실용화성능평가 초고속터널주행열차모델시험장치에의한 TEST-BED 사양의 1/60 축척사갱및기재갱의실용화성능평가 차세대고효율후드의경제성평가에의한기술가치평가 환경영향평가경험식의경험상수평가에대한 CFD해석검증 주변민가에미치는터널미기압파환경영향평가의상용화 S/W 개발 후드의첨단소재및슬림화구조검토및적용성평가 주변환경과어울리는후드스타일링산업디자인수행 적용소재에안정성과신뢰성이검증된후드 1차시작품제작 (1/10 축척 ~1/70축척 ) 본선 TEST-BED 시제품현장시험의장거리모니터링시스템 ( 성능평가 ) 구축 250km/h 급운행에서터널미기압파허용기준의지원및개정 ( 안 ) 본선 TEST-BED에서시제품의시험평가모니터링수행및시험결과분석 250km/h 급고효율후드의공기역학적성능평가및모니터링기술개발 3D CFD 해석에의한고효율후드구조체의공기역학적성능평가기법개발 본선 TEST-BED에서의다목적시험용후드의통풍관개구부의면적원격제어및계측인터페이스설계연구 본선 TEST-BED에서의계측지그, 시그널케이블링배치, 콘트롤박스구성및인터페이스설계 ( 주관기관중앙모니터링-빅데이터의 LTE급무선전송시스템 ) 본선 TEST-BED에의다목적시험용후드의주관기관중앙모니터링 S/W 작성및구축, 빅데이터분석 / 처리 본선 Test-Bed 노선터널들의사양, 사갱, 기재갱, 터널주변민가및이격거리도면화, 데이터베이스화 국내고속열차차량특성과철도터널주변환경에대한미기압파민감도연구 TEST-BED 노선의터널출구갱문형상에따른미기압파 3차원방사패턴분석연구 - 173 -
TEST-BED 노선의터널출구외부지형환경에따른미기압파 3차원방사패턴연구 국내콘크리트궤도터널의터널내상세사양에대한방사미기압파의주파수특성연구 250km/h급국내외고속열차와터널사양에대한방사미기압파크기의비교연구 미기압파의크기및 FFT 분석에따른국내민가분포특성에미치는영향평가 250km/h 급고효율후드의실용화구조안정성및공용중시공성향상기술개발 운행중인철도노선에서의터널입구후드의저비용설치소재 / 시공법개발 터널입구후드의교량설치구조설계 / 시공향상기술개발 후드의첨단소재검토및슬림화구조후드의공진방지및내진성능해석평가및시험평가모니터링, 시험결과분석 본선 TEST-BED에서의구조안정성및시공성향상기술연구 본선 TEST-BED 현장시험의다목적시험용후드의실시설계도면작성 250km/h급실용화를위한최적설계의고효율후드의실시설계도면작성 콘크리트후드와강구조후드등에대한안전기준및지침마련 1단계기술개발의 TRL에근거한연구개발단계 Ÿ 차세대고성능터널미기압파저감후드기술은원천기술에대하여 TRL 4 의실 험실성능평가단계가끝나고, 본과제의실용화기술개발시작되면 TRL 5 ~ TRL 8 의기술개발을수행하게됨. - 174 -
나. 2 단계연구목표및내용 (2 년 ) 2 단계연구목표주요연구내용 300km/h급이상터널미기압파저감대책의실용화기술개발 현장실험데이터뱅크에의한터널미기압파환경영향평가 S/W의업그레이드 실용화를위한터널주행열차모델주행시험에의한최적설계및 1 300km/h급이상의차성능검증터널미기압파저감 300km/h 급이상운행에서터널미기압파허용기준의지원및개정대책실용화기술개발 300km/h급이상터널미기압파저감대책의성능과안정성확보를위한실증시험 본선시험부설 TEST-BED 구축 시작품제작시공 ( 현장시험부설 ), 현장시험및평가 300km/h급이상의현장시험데이터뱅크확보 2단계기술개발의 TRL에근거한연구개발단계 - 175 -
2 절추진전략 1. 연구개발과제구성 분야세부연구추진대상내용비고 고효율후드의실용화를위한통합설계및평가기술 TEST-BED 터널사양의초고속터널주행열차모델시험수행 - 1/60축척실형상터널의사갱및기재갱의실용화성능평가 - 1/60축척실형상터널및차세대후드설계 / 제작, 실용화성능평가 차세대고효율후드의경제성평가에의한기술가치평가 국내외현장시험데이터분석으로환경영향평가경험식의경험상수평가 - 터널갱구외부지형에대한입체각및미기압파주파수분석으로미기압파의민가에미치는기여도분석 / 평가 - 환경영향평가경험식의경험상수평가에대한 CFD해석검증 국내고속열차차량특성과철도터널주변환경에대한미기압파민감도연구 - TEST-BED 노선의터널출구갱문형상에따른미기압파 3차원방사패턴분석연구 - TEST-BED 노선의터널출구외부지형환경에따른미기압파 3차원방사패턴연구 - 국내콘크리트궤도터널의터널내상세사양에대한방사미기압파의주파수특성연구 - 250km/h급국내외고속열차와터널사양에대한방사미기압파크기의비교연구 - 미기압파의크기및 FFT 분석에따른국내민가분포특성에미치는영향평가 주변민가에미치는터널미기압파환경영향평가의상용화 S/W 개발 - 터널갱구에서방사되는미기압파에대한환경영향평가역해석프로그램상용화개발 ( 일본신칸센및원주-강릉현장시험데이터뱅크적용 ) 터널미기압파저감후드의첨단소재및슬림화구조검토및적용성평가 - 공용중시공이간편한터널미기압파저감후드첨단소재및구조검토및적용성평가 주변환경과어울리는후드스타일링산업디자인수행 적용소재에안정성과신뢰성이검증된후드 1차시작품제작 (1/10축척 ~1/70축척 ) 본선 TEST-BED 시제품현장시험의장거리원격모니터링시스템 ( 성능평가 ) 구축 - 원주-강릉 TEST-BED에서의터널연장별로 6개분류로원격상시모니터링시스템구축및설치로열차운행패턴별, 기상조건에따른미기압파의변화크기를계측규명하고데이터뱅크화 250km/h 급운행에서터널미기압파허용기준의지원및개정 ( 안 ) - 176 -
공기역학적성능평가기준모니터링시스템설계기술 - 원주-강릉 TEST-BED에서의터널연장별, 터널출구외부지형환경에대한현장시험을통하여민가에미치는민감도를연구하여미기압파허용기준개정안도출 본선 TEST-BED에서시제품의시험평가모니터링수행및시험결과분석 압축파의터널내전파및반사해석기술 - 터널입 / 출구형상및내부구조물에따른전파및반사해석기술 터널연장에따른압축파증폭현상해석 미기압파해석소프트웨어개발을위한해석적 DB 확보 - 국내시공된터널에대하여실측값과해석값비교 - 대표값에대한보정 - 해석적방법을통한변수보정에의한데이터베이스화 현장데이터취합및손실방지기술 - 터널현장상황에적합한데이터취합, 전송주기및전송방법 무선송신및클라우드저장및 DB 구축기술 - 대용량데이터저장및 DB처리기술 자동확장클라우드생성및데이터정리기술 - 다수터널에대한빅데이터관리기술 설계및 시공기술 후드의구조설계기준제시 - 고속열차의풍하중을지탱할수있고, 국내지진특성에부합하는내풍및내진설계기준개발 - 터널과사용수명을동일하게간주하고충분한노출환경등급과피복등급을가지는내구성설계기준수립 건설비효율화를위한저비용설계및시공기술 - 공법별재작및가설비용을최소화하기위한최적화기법을적용한공정분석및개발 운영중인노선에시공가능한공법및시공기술개발 - 열차운행중인터널의고속화에대비하여운영에지장을초래하지않고시공이가능한시공법및관련설계, 시공기술개발 2. 목표성과물 가. 주요연구개발성과물 초고속터널주행열차모델시험장치에 1/60축척실형상터널및후드설계 / 제작물 주변환경과어울리는후드스타일링산업디자인결과물 250km/h 급실용화를위한최적시험설계의고효율후드실시설계도면 주변민가에미치는터널미기압파환경영향평가의상용화 S/W 차세대고효율후드의경제성평가에의한기술가치평가보고서 3D CFD 해석에의한고효율후드구조체의공기역학적성능평가기법보고서 본선 TEST-BED 시제품의장거리모니터링시스템 ( 성능평가 ) 설계및데이터무선전송 - 177 -
시스템설계도및사양서 본선 TEST-BED 의중앙모니터링을위한소프트웨어및 Web Page 마련 본선 TEST-BED 노선터널사양, 구조물, 터널주변보안물건에대한도면화및데이터베이스 국내운행고속열차와철도터널내부및터널외부지형환경에대한터널미기압파특성에대한보고서 운행중인철도노선에서의터널입구후드의저비용설치소재 / 시공법 터널입구후드의교량설치구조설계 / 시공향상기술보고서 첨단소재 / 슬림화구조후드의공진방지및내진성능평가기술보고서 콘크리트후드와강구조후드등에대한안전기준및지침 현장적용설계도면작성 ( 후드의표준도면, 상세도, 수량산출서및내역서작성 ) 적용소재에안정성과신뢰성이검증된후드시제품 본선시험부설 TEST-BED 에서의현장시험및평가기술보고서 후드시제품을본선시험부설 TEST-BED 에구축 250km/h 급운행에서터널미기압파허용기준의지원및개정 ( 안 ) 3. 주요내용및추진전략 가. 연구개발과제주요내용 구분 주요내용 총괄 준고속철도용터널미기압파저감대책실용화기술개발 주관기관 250km/h 급고효율후드의실용화를위한통합설계및평가기술개발 1 국내외현장시험데이터의분석으로환경영향평가경험식의경험상수평가 2 초고속터널주행열차모델시험장치에 1/60 축척실형상터널및후드설계 / 제작, 실용화성능평가 3 초고속터널주행열차모델시험장치에의한 TEST-BED 사양의 1/60 축척사갱및기재갱의실용화성능평가 4 환경영향평가경험식의경험상수평가에대한 CFD 해석검증 5 주변민가에미치는터널미기압파환경영향평가의상용화 S/W 개발 6 후드의첨단소재및슬림화구조검토및적용성평가 7 차세대고효율후드의경제성평가에의한기술가치평가 8 주변환경과어울리는후드스타일링산업디자인수행 9 적용소재에안정성과신뢰성이검증된후드 1 차시작품제작 (1/10~1/70 축 - 178 -
척 ) 10 본선시험부설 TEST-BED에서의현장시험및평가기술개발 11 1:1 실척후드시제품을본선 TEST-BED에구축 12 본선 TEST-BED 시제품현장시험의장거리모니터링시스템 ( 성능평가 ) 구축 13 250km/h 급운행에서터널미기압파허용기준의지원및개정 ( 안 ) 14 위탁과제 -1 본선 TEST-BED 에서시제품의시험평가모니터링수행및시험결과분석, 최종보고서작성 250km/h 급고효율후드의공기역학적성능평가및모니터링기술개발 1-1 3D CFD 해석에의한고효율후드구조체의공기역학적성능평가기법개발 1-2 1-3 1-4 본선 TEST-BED 에서의다목적시험용후드의통풍관개구부의면적원격제어및계측인터페이스설계연구 본선 TEST-BED 에서의계측지그, 시그널케이블링배치, 콘트롤박스구성및인터페이스설계 ( 주관기관중앙모니터링 - 빅데이터의 LTE 급무선전송시스템 ) 본선 TEST-BED 에의다목적시험용후드의주관기관중앙모니터링 S/W 작성및구축, 빅데이터분석 / 처리 1-5 본선 Test-Bed 노선터널들의사양, 사갱, 기재갱, 터널주변민가및이격거리도면화, 데이터베이스화 위탁과제 -2 국내고속열차차량특성과철도터널주변환경에대한미기압파민감도연구 2-1 TEST-BED 노선의터널출구갱문형상에따른미기압파 3 차원방사패턴분석연구 2-2 TEST-BED 노선의터널출구외부지형환경에따른미기압파 3 차원방사패턴연구 2-3 국내콘크리트궤도터널의터널내상세사양에대한방사미기압파의주파수특성연구 2-4 250km/h 급국내외고속열차와터널사양에대한방사미기압파크기의비교연구 2-5 미기압파의크기및 FFT 분석에따른국내민가특성에미치는영향평가 위탁과제 -3 250km/h 급고효율후드의실용화구조안정성및공용중시공성향상기술개발 3-1 운행중인철도노선에서의터널입구후드의저비용설치소재 / 시공법개발 - 179 -
3-2 터널입구후드의교량설치구조설계 / 시공향상기술개발 3-3 후드의첨단소재검토및슬림화구조후드의공진방지및내진성능해석평가및시험평가모니터링, 시험결과분석 3-4 본선 TEST-BED 현장시험의다목적시험용후드의실시설계도면작성 / 제출 3-5 본선 TEST-BED 에구조안정성및시공성향상기술적용 3-6 250km/h 급실용화를위한최적설계의고효율후드의실시설계도면작성 / 제출 3-7 콘크리트후드와강구조후드등에대한안전기준및지침마련 나. 추진체계 (1) 확보기술실용화전략 확보된터널미기압파저감대책원천기술 ( 후드등 ) 은터널주행열차모델시험기 (moving model test rig) 에이용하여개발되었고, 10여년전에개발한수직통풍관형후드를시범설치한호남고속철도현장시험에서효용성은증명되었으나, 실제현장운용에서최고성능을발휘하려면현장에서통풍공사이즈를조절할수있어야한다는판단이정립되었다. 수직통풍관형후드의단점은현장에서통풍공사이즈를조정하기가어렵다는문제점을가지고있어, 2014년형차세대고효율후드는상부가아닌후드측벽에서조정이가능하도록원천기술을개발하였기에 TEST-BED 현장시험에서최고성능도출이가능하다. 공기역학적성능평가기준및전산유체역학기술은기술개발시기술의보급이가능하다는점이전제되어야한다. 터널내압축파를예측하는해석기술은여러가지방법이개발되어있지만해석자에따라일관된결과를취득하기어렵고, 단순조건에대한해석을주로수행하였으므로현재까지도출된결과가넓은범위의조건들을감안하지못한문제점이있다. 또한전산유체해석자체가축소모델실험이나현장실측값을추종할수밖에없기때문에신뢰성있는실측치의표준을세우고이를토대로해석인자를결정할수있도록연구하는것이필요하다. 현장실측은많은횟수의반복을통하여표준화된결과를얻어야하기때문에상시모니 - 180 -
터링시스템과연계한기초데이터확보가매우중요하다고볼수있고연관시켜연구하는전략을수립하여야한다. 원격의모니터링시스템의설계기술은터널이라는특성을감안하여통신프로토콜및전송방법을개발하여야하며, 빅데이터수집전략을수립하여측정된데이터의분석, 활용이가능한상시분석시스템을구축하는것이중요하다. 터널출구미기압파에대한모니터링시스템은세계적으로도유래가없는사례로국내철도공기역학관련기술을한단계도약시키는지름길이될수있다. 또한최근급속히발전하고있는국내무선통신기술및클라우드저장기술등을활용하여신개념의설계기술을개발하여접목시키는전략이바람직할것이다. 터널미기압파저감후드의시공기술은기존의개착식터널의시공기술과유사한측면이있고또한후드를철골구조물기술로도시공이가능하다. 국토의대부분이산악지형이국내의여건상터널공법에관한국내의시공기술수준은일정수준에도달해있는실정이다. 다만, 터널미기압파의저감과같은특정목적을위해설치되는후드와같이임의위치의개구부에대한보강기술이나후드구조물을설치하기위한공용중에있는기존터널의노반에피해를주지않고기초부를형성하는시공기술등에대한추가연구개발이요구되는상황이다. 또한공용중에후드를설치하려면단순화된철골구조물에복합소재등을활용한경량화데크플레이트나멤브레인으로마감하는방법을검토해야하는데, 공용중인철도터널앞쪽의철도시설을대형크레인진입으로훼손하지않고공사가이루어지려면이에대한설계기술과시공기술연구가필요하다. (2) 성과관리방안 ( 가 ) 성과평가및관리 본사업은국가연구개발사업조사 분석 평가의성과지표를참조하여기본지표로설정 Ÿ 공통적인성과부분을평가하고, 각세부사업별특성화된성과부분을추가지표로설정하여성과를효과적으로측정 Ÿ 세부사업별로지표에가중치를차등부여하여성과측정의실효성을제고 ( 나 ) 성과지표 ( 안 ) 도출된성과지표는고정된것이아니며, 추후지속적인검토및시범적용을통해더효율적이고적합한성과지표로수정 보완 - 181 -
표 4.2.1 철도인프라성능및건설비최적화를위한기반기술개발사업성과지표 ( 안 ) 성과항목 1. 지식재산권 2. 논문 3. 표준및기준 4. 매뉴얼 5. 기술이전 / 거래 성과지표 1-1 특허출원건수 1-2 특허등록건수 1-3 특허등록률 1-4 연구비 1억원당특허출원건수 1-5 연구비 1억원당특허등록건수 2-1 학술지게재논문건수 2-2 SCI급학술지게재논문건수 2-3 연구비 1억원당학술지게재논문건수 2-4 연구비 1억원당 SCI급학술지게재논문건수 3-1 표준제안건수 3-2 표준제정 / 개정건수 3-4 기준의법제화건수 3-5 국제표준화회의유치 / 개최건수 4-1 매뉴얼작성건수 4-2 매뉴얼활용실적 5.1 기술이전건수 5.2 기술료수입액 1 지식재산권 A 특허출원건수 : 사업수행기간및사후평가기간동안출원된특허건수 측정방법 Ÿ ( 과제 ) 해당과제통해출원된특허출원건수 Ÿ ( 사업 ) 세부과제들의특허출원건수의합 근거자료 : 특허출원증사본 Ÿ 출원특허명, 출원인, 출원등록번호, 출원일등 B 특허등록건수 : 사업수행기간및사후평가기간동안등록된특허건수 측정방법 Ÿ ( 과제 ) 해당과제통해등록된특허출원건수 Ÿ ( 사업 ) 세부과제들의특허등록건수의합 근거자료 : 특허등록증사본 Ÿ 특허명, 출원인, 등록번호, 등록일등 C 특허등록률 : 해당사업으로부터얻은특허의출원건수대비등록건수의비율 측정방법 Ÿ 해당사업에서지원된과제들의특허등록률의평균 : ( 출원한특허가운데통계마감일까지등록된건수 / 출원한특허건수 ) 100 근거자료 : : 특허출원 등록증사본 Ÿ 특허명, 출원인, 출원등록번호, 출원일, 등록번호, 등록일등 - 182 -
D 연구비 1억원당특허출원건수 측정방법 : 연구비 1억원당사업수행기간및사후평가기간동안출원된특허건수 Ÿ 총특허출원건수 / 총연구사업비 ( 단위 : 1억원 ) 근거자료 : 특허출원증사본및투입연구비 DB Ÿ 출원특허명, 출원인, 출원등록번호, 출원일등 E 연구비 1억원당특허등록건수 측정방법 : 연구비 1억원당사업수행기간및사후평가기간동안등록된특허건수 Ÿ 총특허등록건수 / 총연구사업비 ( 단위 : 1억원 ) 근거자료 : 특허등록증사본및투입연구비 DB Ÿ 특허명, 출원인, 등록번호, 등록일등 2 전문학술지 A 학술지게재논문편수 : 국내및국외학술지에게재된논문건수 측정방법 Ÿ ( 과제 ) 국내 / 국외, SCI급 / 비SCI급학술지를구분하여논문게재편수평가 Ÿ ( 사업 ) 동사업세부과제들의학술지게재논문편수의합 근거자료 : 학술지표지, 목차사본 Ÿ 저자, abstract, SCI(E) 에등재된학술지명칭, 게재연월일, Vol(No)& 시작 끝페이지, acknowledgement( 동사업지원사실포함 ) 등 B SCI급학술지게재논문편수 : SCI급학술지게재논문편수 측정방법 Ÿ ( 과제 ) 국내외 SCI급학술지게재논문편수 Ÿ ( 사업 ) 동사업세부과제들의 SCI급학술지게재논문편수의합 근거자료 : 학술지표지, 목차사본 Ÿ 저자, abstract, SCI(E) 에등재된학술지명칭, 게재연월일, Vol(No)& 시작 끝페이지, acknowledgement( 동사업지원사실포함 ) 등 C 연구비 1억원당학술지게재논문편수 : 연구비 1억원당평균국내및국외학술지에게재된논문편수 측정방법 Ÿ 국내 / 국외, SCI급 / 비SCI급학술지를구분하여논문게재건수와함께연구비당논문편수 근거자료 : 학술지표지, 목차사본및투입연구비 DB Ÿ 저자, abstract, SCI(E) 에등재된학술지명칭, 게재연월일, Vol(No)& 시작 끝페이지, acknowledgement( 동사업지원사실포함 ) 등 D 연구비 1억원당 SCI급학술지게재논문편수 : 연구비 1억원당평균 SCI급학술지에게재된논문편수 - 183 -
측정방법 Ÿ SCI급학술지에게재된논문편수와함께연구비당논문편수 근거자료 : 학술지표지, 목차사본및투입연구비 DB Ÿ 저자, abstract, SCI(E) 에등재된학술지명칭, 게재연월일, Vol(No)& 시작 끝페이지, acknowledgement( 동사업지원사실포함 ) 등 3 표준및기준 A 표준제안건수 : 해당사업을통해발생한연구성과에대해국내 / 국제표준화기구에표준안을제안하고제안한표준안이채택된건수 측정방법 Ÿ 해당사업에서지원된과제들의국내 / 국제표준제안 / 채택건수의합 근거자료 : 표준제안서및증빙서류 Ÿ 제안표준명, 표준화기구명, 표준번호, 채택일등을확인할수있는증빙서류 B 표준제정 / 개정건수 : 해당사업을통해획득한연구결과를체계적이고계획적인표준화활동을통해표준제정 / 개정된건수 측정방법 Ÿ 해당사업에서지원된과제들의국내 / 국제표준제정 / 개정건수의합 근거자료 : 표준제 / 개정서및증빙서류 Ÿ 제정 / 개정제안표준명, 표준화기구명, 표준번호, 제정 / 개정일등을확인할수있는증빙서류 C 기준의법제화건수 : 해당사업을통해획득한연구결과를정부및국내표준화기구에서표준 / 기준으로법제화한건수 측정방법 Ÿ 해당사업에서지원된과제들의국내 / 국제표준 / 기준법제화건수의합 근거자료 Ÿ 표준 / 기준명, 표준화기구명, 표준번호등을확인할수있는증빙서류 4 매뉴얼 A 매뉴얼작성건수 : 해당과제의개발결과가매뉴얼로작성된건수 측정방법 Ÿ ( 과제 ) 관리매뉴얼개발건수 Ÿ ( 사업 ) 세부과제들의관리매뉴얼개발건수합 근거자료 : 매뉴얼첨부 - 184 -
B 매뉴얼활용실적 : 사업을통해개발된매뉴얼의실제적으로현장에활용된정도 측정방법 Ÿ 해당과제에서산출된매뉴얼을특정웹사이트에등록하고매뉴얼의다운로드건수측정 근거자료 : 특정웹사이트를통해매뉴얼을다운로드건수 5 기술이전 / 거래 A 기술이전건수 : 기술개발결과물을공개, 기술이전의형태로타기관 ( 대학, 연구소, 기업등 ) 에유 / 무상으로이전하는건수 측정방법 Ÿ ( 과제 ) 기술공개나기술이전이유 / 무상으로행해진건수 Ÿ ( 사업 ) 세부과제들의기술공개및기술이전 ( 유 / 무상 ) 건수의합 근거자료 Ÿ 기술소유권이전계약서사본첨부 Ÿ 특허사용허가서사본첨부 Ÿ 기술을활용제품판권계약서사본첨부 Ÿ 기타기술이전사실을증명할수있는증빙서류사본첨부 B 기술료수입액 : 과제의수행결과발생되는총기술료수입액 측정방법 Ÿ ( 과제 ) 기술료수입액실적 Ÿ ( 사업 ) 세부과제들의기술료수입액의합 근거자료 Ÿ 기술료입금증명서류사본첨부 Ÿ 기술료수익에대한세금내역서사본첨부 4. Test-Bed 전략 (1) Test-Bed 필요성 터널의공사비절감을위한최소단면적용을위해서는미기압파후드의적용이필수적이나, 적용프로세스기반이취약하여실제적용에어려움이있는실정임. 2017년원주-강릉선을시작으로 2025년이후까지많은수의노선이개통예정으로있으며, 200km/h 이상의고속열차운행시에미기압파문제가발생할우려가높으므로기술개발을통한적용성확보가매우시급한실정임. 실용화에따른기술개발기간및 TEST BED를통한실용기술확보를통하여현장적용이이루어지려면 3년이상의기간이필요하며, 이를위한기술적투자가절실함. - 185 -
(2) Test-Bed 추진전략 TEST BED는개통예정인터널에미기압파의상시모니터링이가능한시스템을구축하고열차운행조건및기상상태, 터널출구미기압파및터널내압력변동등을측정할수있도록구성하고, 열차운행시발생되는미기압파를중앙의서버로무선통신망을이용하여전송함. 이렇게수집된데이터는분석작업을거쳐예측알고리즘제작에적용되어한국형예측소프트웨어를구축하는데이용됨. TEST-BED 는최소 6종류의터널이필요하며, 1km 이하의짧은터널, 3km급터널, 4km/h급터널, 8km/h급, 20km/h의장대터널이필요하고, 여기에후드설치된터널과미설치된터널로구분하여설치한다. 표 4.2.2 단선터널과복선터널의단면예시 단선터널 복선터널 ; 39.97 m2내공단면적 : 65.74 m2 둘레길이 : 23.45m 둘레길이 : 31.12m - 186 -
표 4.2.3 단선터널의터널미기압파후드에대한예시 단면도 투시도 (3) TEST-BED 요구성능및추진체계 TEST-BED 에설치되는센서네트워크및모니터링시스템은다음과같다. Ÿ 시스템기본개요 그림 4.2.1 후드가설치되지않는터널의센서배치도 Ÿ Ÿ 센서네트워크에서게이트웨이까지는유선네트워크로구성하는것이안정성측면에서우수할것으로판단된다. 근거리무선네트워크통신을이용할수있으나, 터널내전차선등으로인한전기장및자기장문제와전파간섭등을고려할때안정적인통신방법을선택하는것이유리하다. 게이트웨이에서중앙통제센터까지의통신은무선네트워크를활용하는것이용이할것으로예상된다. 철도터널의입출구부가도시지역에위치하는경우가드물어통신인프라가구축된지역이아닐가능성이높으므로모바일네트워 - 187 -
크를활용하는방안이유리할것으로예상된다. 그림 4.2.2 후드가설치되는터널의센서배치도 TEST BED에설치되는센서의요구사항은, 압력및소음, 기상현황을계측하는장비로구분할수있다. 압력계측장비 Ÿ 압력측정은대기압과의차이를측정하는상대압측정과진공상태의압력에대 한압력변위를측정하는절대압측정장비가있다. (a) Setra 239 센서 (b) Endevco 8510B-1 4.2.3 차압센서 그림 4.2.4 절대압센서 Ÿ 상대압측정장비는통상차압 (Pressure Difference) 이라고하는개념을설정 하여측정하는데, 레퍼런스홀에대기압유지챔버를연결하여사용한다. 이 챔버로부터측정된압력 ( 대기압 ) 과측정대상지점의압력을비교하여상대압력 - 188 -
을나타낸다. 절대압센서보다는차압센서가초저주파대역에서주파수특성 이평탄한센서가많아차압센서를권장한다. 고속열차진입시생성되는터널 내압력파의압력변동도저주파특성이강하다. Ÿ 절대압센서는절대압측정을위해내부에진공공간을두는방식과기계진동자의고유진동수변화로부터압력을측정하는방식이있다. 진공공간측정방식은진공공간의경계부에연질의멤브레인을설치하고여기에가해지는압전저항을측정하는방식이며, 기계진동식은쿼츠, 자석과같은기계의진동을측정하여압력을측정하는방식이다. 이러한방식은대기압측정을위한레퍼런스챔버와연결하는튜브의사용이필요없어설치가용이하지만매우낮은저주파 ( 초저주파 ) 에서의측정이불가능한센서들이다수이다. 소음 ( 음압 ) 계측장비 Ÿ 소음 ( 음압 ) 측정은일반적으로인간의가청주파수대역인 1Hz에서 20,000Hz 까지의주파수변동값을측정하는장비를사용한다. 그러나터널미기압파는가청주파수대역이하의압력성분을가지고있고, 이는진동으로인간에게느껴지므로상대적으로낮은대역의주파수측정이가능한장비가필요하다. 표 4.2.4 일반음압계와저주파음압계의특성비교 항목초저주파음압계일반음압계 0.2~1,000Hz 1~20kHZ 주파수밴드 3 대역 8 대역 Ÿ 음압계는계측을마이크로폰 ( 일종의압력센서 ) 으로수행하여 Voltage 값을음압값으로출력하는데, 미기압파의측정신뢰성향상을위해서는초저주파압력성분을측정하는장비가요구된다. 이러한계측장치는공기중의진동압력을측정하는것으로저주파상태에서의미세압력측정을위해사용된다. 압력측정범위는 0.2Hz에서 1,000Hz 정도이다. 외부기상상태측정장비 Ÿ 터널내외부는일반적으로개활지보다는골짜기지형에위치하고있는경우가많고, 국지적인기상변화가발생할가능성이높다. 일반적인기상관측소는장애물이없는개활지에설치되고바람의영향을적게받는지점에설치한다. 이러한지점에설치된기상관측장비에서측정된데이터는지역의대표성을가 - 189 -
진다. Ÿ 터널출구에서외부로방사되는미기압파측정시에는터널주변의기상상황, 대기압력, 터널내풍향풍속과같은국지기후조건에영향을받기때문에, 열차가진입하는터널내부나미기압파가발생되는터널출구의기후상태가중요하다. 이를위하여터널갱구인근에기상관측장치를설치하여대기의온도, 습도, 압력, 강우여부등을파악하여야한다. 여기에서측정된데이터는터널내압력상황및열차운행속도등과의변수와의상관관계를조사하여야하며, 동일열차운행조건에서도온습도에대하여미기압파발생여부가어떻게변동되는지명확하게증명된바가없으므로이에대한연구자료확보를위하여필요하다. 그림 4.2.5 외부기상관측장치 모니터링시스템 Ÿ 최근들어인터넷네트워크를기반으로한유비쿼터스 (Ubiqutous) 환경이조성되면서센서에기반한시설관리및변위파악등이활발하게시행되고있다. 기존에는인력에의하여일상점검-정기점검등의과정으로육안확인, 분해조립등의과정을거쳤다면, 이제는센서에서보내주는신호를감지하여중앙에서능동적대응이가능한기술이개발되어활용되고있는추세이다. Ÿ 터널분야에서도기존에는폐쇄시스템으로구성된자체적인감시및관리시스템이있었고, 이는소수의현장관리자만이상황을파악할수있는문제점으로인해인재 ( 人災 ) 에의한사고가빈번히발생하고원격지에서의상황파악및대처가곤란한경우가대부분이었다. Ÿ 특히터널출구의미기압파에있어서는현재까지이러한모니터링시스템이 - 190 -
Ÿ Ÿ Ÿ 시도된적이없다. 미기압파의특성이현재까지알려진바에따르면, 고속열차의터널내진입으로인한압축파로인해발생되는것이기는하나, 터널내외부의기상조건및온습도등에영향을받을수있고, 복선터널의경우에는터널내열차교행등에따라압력파의중첩으로변동될수있는문제점을가지고있었다. 또한, 현장에서계측을시행하더라도데이터를회수하여분석하기까지의정보분석주기가길어 1회성측정에그치고있는것이현실이다. 미기압파는소음및진동등의환경피해를발생시키는원인이될수있기때문에면밀한관측과이를기반으로빅데이터분석이필요하다. 이를위해서는현장에설치된센서에서수집된데이터를중앙으로전송하고이를분석하는일련의과정을시스템화하여적용할필요가있다. 센서네트워크 (Sensor Network) 란물리량을계측하는센서에서수집된정보를집계하여정보이용요구자에게전송하는일련의시스템으로정의할수있다. 그림 4.2.6 센서네트워크의개념도 Ÿ Ÿ 센서네트워크의구성은여러부분으로구성할수있는데, 우선가장말단의정보수집용센서가있다. 현재의물리량계측센서들은대부분말단프로브 (Probe) 에감지되는전압을기준으로계측되는경우가많다. 전압이계측되면계측된전압값을그대로전송할수도있지만이경우에는전송케이블의길이가길어지는경우에전압강하로인해당초측정된값의왜곡이발생하는경우가있다. 이러한현상을방지하기위하여변환기 (Tranducer) 를통해신호를전송하는형태가대부분이다. 이렇게전송되는신호는아날로그신호를디지털신호로변환해주는변환기 - 191 -
Ÿ (A/D Converter) 를거치게된다. 만약많은수의센서가산재하여있고, ADC 까지의길이가긴경우에는중간에노드 (Node) 라는개념의기기를배치하여데이터를모으고이를라우터 (Rauter) 로집결시킨다. 여기까지는데이터가외부로전송되지않은상태이며, 기기의임시메모리에저장되어있는상태이다. 이를외부로전송하기위하여통신유니트가필요하며, 게이트웨이 (Gateway) 를통해원거리에있는관리자에게정보가전달되는형태이다. 제어프로그램의구축및분석사양 Ÿ Ÿ 모니터링시스템은터널의상태및분석, 이에따른다양한예측, 경보전달체계구성에매우중요한요소이다. 모니터링시스템이갖추어야할기능은각센서모듈에서측정된계측값을데이터베이스에저장하고, 저장된계측값의표출과다양한분석및가능성판단, 관리기준정의, 최종결과상태판단, 경보방법선택등이다. 모니터링 S/W는웹기반으로구성되어인터넷을통해시간과장소에제약을받지않고, 언제어디에서나접근이가능하며, 사용자편의성을제공하기위하여 GUI 환경으로구성되어있다. 데이터는다양한검색기능으로최적의결과를제공한다. 그림 4.2.7 웹기반모니터링시스템의예 Ÿ Ÿ 데이터베이스는센서모듈로부터수신한데이터를일정시간간격으로계측값의표출및분석정보로종류에따라다른형태로가공되어기록된다. 데이터들은모니터링수행의편의성을제공하기위하여시간, 일, 월별단위의데이터로기록된다. 이를출력하기위해데이터베이스에저장된데이터는다양한그래프와도표를 - 192 -
이용하여시각화되어지며, 다양한검색기능과함께제공되므로현장의상황을실시간으로파악할수있다. Ÿ 계측된데이터의분석작업은데이터베이스에저장된데이터를여러가지분석기법및다양한조건이적용되어가능성판단, 관리기준정의, 최종결과상태판단을위한데이터로재구성될수있다. 이렇게재구성된데이터는위험판단기준관리와경보판단기준관리를위한기본데이터로사용될수있다. Ÿ 위험판단기준관리는계측값의다양한조건에따라정상, 주의, 심각, 경보등 4가지의동작기준으로구성되며, 각기준은상황에따라정의가수정될수있다. 이러한동작기준에따라경보판단기준관리는적절한알람메시지를전달한다. 알람메시지는 SMS, 경보등으로구성할수있으며, 알람메시지의기준및적용은상황에따라조정이가능하다. Ÿ 이러한모니터링시스템은원격제어가가능해야하며, 센서모듈이측정한데이터뿐만아니라센서모듈의운용시발생하는다양한데이터신호를데이터베이스에저장하여, 센서모듈의이상유무를검사하여한다. 이상이판단된경우, 접근권한을가지고있는해당권한자등이웹을통해센서모듈에접속하여센서의제어및관리가가능하다. Ÿ 데이터의저장방법은모니터링되는터널의개수및센싱주기에따라산출되는데이터의양이늘어나게되므로용량증설이용이한데이터베이스서버가필요하다. 최근에는클라우드방식의저장네트워크가발전하고있어이러한방식을고려하여백업의안정성과용량증설의용이성을확보하는것이좋다. Ÿ 저장된데이터는웹페이지를통하여관련자누구나열람이가능하여야하며, 간단한분석이가능하도록분석도구가제공되어야한다. 또한이상신호에대한필터링및알람기능을장착하여기준치이상의압력이발생하거나, 소음문제가발생하는경우운영및관리기관에서즉각감지가가능하도록모바일알람체계등을갖추는것이필요하다. (4) Test Bed 후보지선정 250km/h 급의원주-강릉일반철도가 2016년에완공되고, 2017년부터시운전시험을시행할예정이다. 2016년에본기획연구의본과제가시작하면, 2017년도인 2차년도에원주-강릉 TEST-BED 에서의현장시험이가능하다. - 193 -
그림 4.2.8 원주 - 강릉노선도 표 4.2.5 원주 - 강릉터널현황 분공구공구연장터널터널연장 (m) STA. 1 675 2km030 2 1 10.85km 만종 260 4km065 3 호저 1,275 7km660 4 의관 900 15km460 5 2 11.57km 청용 350 19km485 6 남산 1,580 20km690 7 추동 440 23km580 8 3 10.98km 비대 1,160 26km340 9 용둔 600 29km640 10 4 11.60km 하궁 6,240 35km500 11 둔내 8,267.34 45km480 5 9.69km 12 진조 650 55km165 13 면온 662 57km920 14 6 8.80km 유포 880 58km786 15 재산 2,100 60km035 16 평창 8,718 63km²85 17 7 9.42km 거문 550 72km670 18 상월 1,160 73km570 19 송정 180 75km995 20 매산 610 76km330 21 8 7.48km 면화 270 77km190 22 호명 210 77km820 23 웅장 500 79km370 24 9 12.70km 대관령 21,755 80km²50 25 10 9.40km 성산 1,485 102km330 26 칠봉제1 110 104km400 27 칠봉제2 1,780 106km480 28 박월 400 110km340 11 17.72km 29 청량 2,500 116km500-194 -
(5) Test Bed 기대성과및활용방안 미기압파등의문제가철도터널의공기역학적문제에해당하나, 최근 IT기술의발달로이종융합이가능한기술을선보이고있으며, 무선데이터전송기술, 인터넷소프트웨어, 빅데이터분석기술등과의조합으로근본적인공기역학적문제를해소할수있고이용자, 관리자, 연구자간의정보교류를활성화시킬수있을것으로예상된다. 5. 연차별기술로드맵 일련 번호 1 연구내용 250km/h 급고효율후드의실용화를위한통합설계 및평가기술개발 추진일정 ( 년 ) 1 차년 2 차년 3 차년 주관기관 국내외현장시험데이터의분석으로환경영향평가 경험식의경험상수평가 초고속터널주행열차모델시험장치에 1/60축척실형상터널및후드설계 / 제작, 실용화성능평가초고속터널주행열차모델시험장치에의한 TEST- BED 사양의 1/60축척사갱및기재갱의실용화성능평가 환경영향평가경험식의경험상수평가에대한 CFD 해석검증 차세대고효율후드의경제성평가에의한기술가치평가 주변민가에미치는터널미기압파환경영향평가의 상용화 S/W 개발 후드의첨단소재및슬림화구조 평가 검토및적용성 주변환경과어울리는후드스타일링산업디자인 수행 적용소재에안정성과신뢰성이검증된후드 1 차 시작품제작 (1/10~1/70 축척 ) 본선시험부설 TEST-BED 에서의현장시험및평 - 195 -
가기술개발 ( 민가영향포함 ) 1:1 실척후드시제품을본선시험부설 TEST-BE D 에구축 본선 TEST-BED 시제품현장시험의장거리모니 터링시스템 ( 성능평가 ) 구축, 모니터링수행 250km/h 급운행에서터널미기압파허용기준의지원 및개정 ( 안 ) 본선 TEST-BED 에서시제품의시험평가모니터링 수행및시험결과분석, 최종보고서작성 2 250km/h 급고효율후드의공기역학적성능평가및 모니터링기술개발 위탁기관 (1) 3D CFD 해석에의한고효율후드구조체의공기역 학적성능평가기법개발 본선 TEST-BED에서의다목적시험용후드의통풍관개구부의면적원격제어및계측인터페이스설계연구본선 TEST-BED에서의계측지그, 시그널케이블링배치, 콘트롤박스구성및인터페이스설계 ( 주관기관중앙모니터링-빅데이터의 LTE급무선전송시스템 ) 본선 TEST-BED에의다목적시험용후드의주관기관중앙모니터링 S/W 작성및구축, 빅데이터분석 / 처리본선 Test-Bed 노선터널들의사양, 사갱, 기재갱, 터널주변민가및이격거리도면화, 데이터베이스화본선 Test-Bed의다목적시험용후드의현장시험데이터와 3D CFD 해석결과비교 / 평가 3 국내고속열차차량특성과철도터널주변환경에대 한미기압파민감도연구 위탁기관 (2) TEST-BED 노선의터널출구갱문형상에따른미기압파 3 차원방사패턴분석연구 TEST-BED 노선의터널출구외부지형환경에따른미기압파 3 차원방사패턴연구 - 196 -
국내콘크리트궤도터널의터널내상세사양에대한방사미기압파의주파수특성연구 250km/h 급국내외고속열차와터널사양에대한방사미기압파크기의비교연구 미기압파의크기및 FFT 분석에따른국내민가특성에미치는영향평가 4 250km/h 급고효율후드의실용화구조안정성및 시공성향상기술개발 위탁기관 (3) 운행중인철도노선에서의터널입구후드의저비 용설치소재 / 시공법개발 터널입구후드의교량설치구조설계 / 시공향상기술개발후드의첨단소재검토및슬림화구조후드의공진방지및내진성능해석평가및시험평가모니터링, 시험결과분석본선 TEST-BED에구조안정성및시공성향상기술적용 본선 TEST-BED 현장시험의다목적시험용후드의실시설계도면작성 250km/h 급실용화를위한최적설계의고효율후드 의실시설계도면작성 콘크리트후드와강구조후드등에대한안전기준 및지침마련 6. 성과의활용방안 구분최종성과물활용방안 총괄 주관기관 준고속철도용터널미기압파저감대책실용화기술개발 250km/h 급고효율후드의실용화를위한통합설계및평가기술개발 Ÿ Ÿ 초고속터널주행열차모델시험장치에 1/60 축척실형상터널및후드설계 / 제작물 Ÿ Ÿ 차세대고효율후드최적설계실험에활용 차세대고효율후드의실 - 197 -
Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 주변환경과어울리는후드스타일링산업디자인결과물 250km/h 급실용화를위한최적시험설계의고효율후드실시설계도면 주변민가에미치는터널미기압파환경영향평가의상용화 S/W 차세대고효율후드의경제성평가에의한기술가치평가 Ÿ 적용소재에안정성과신뢰성이검증된후드시제품 Ÿ 본선시험부설 TEST-BED에서의현장시험및평가기술 Ÿ 후드시제품을본선시험부설 TEST-BED에구축 Ÿ 250km/h급운행에서터널미기압파허용기준의지원및개정 ( 안 ) Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 용화시주변환경과어울리는형상디자인에활용 차세대고효율후드실용화에반영 각종신규철도의터널미기압파환경영향평가에활용 기술이전에활용 공용중설치가능한후드에활용 Ÿ TEST-BED 현장시험에 활용 Ÿ 국내실정에맞는미기압파허용기준치개정안도출 위탁기관 (1) 위탁기관 (2) 위탁기관 (3) 250km/h 급고효율후드의공기역학적성능평가및모니터링기술개발 Ÿ Ÿ Ÿ 3D CFD 해석에의한고효율후드구조체의공기역학적성능평가기법보고서 본선 TEST-BED 시제품의장거리모니터링시스템 ( 성능평가 ) 설계및데이터무선전송시스템설계도및사양서 본선 TEST-BED 의중앙모니터링을위한소프트웨어및 Web Page Ÿ 본선 TEST-BED 노선터널사양, 구조물, 터널주변보안물건에대한도면화및데이터베이스 Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 터널미기압파상용화 S/W 개발반영 TEST-BED 구축적용 TEST-BED 의시험데이터모니터링 국내실정의환경영향평가및기준개정에활용 국내고속열차차량특성과철도터널주변환경에대한미기압파민감도연구 Ÿ 국내운행고속열차와철도터널내부및터널외부지형환경에대한터널미기압파특성에대한보고서 Ÿ 국내실정에맞는터널미기압파환경영향평가및대책마련에활용 250km/h 급고효율후드의실용화구조안정성및공용중시공성향상기술개발 Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 운행중인철도노선에서의터널입구후드의저비용설치소재 / 시공법 터널입구후드의교량설치구조설계 / 시공향상기술 첨단소재 / 슬림화구조후드의공진방지및내진성능평가기술 250km/h 급실용화를위한고효율후드실시설계도면 콘크리트후드와강구조후드등에대한안전기준및지침 Ÿ Ÿ Ÿ TEST-BED 구축에반영 TEST-BED 구축에반영 후드시제품설계적용 Ÿ TEST-BED 시제품 제작 및기술보급에활용 Ÿ 후드시제품설계적용 - 198 -
7. 연구수행체계제안 국토해양부 - 사업총괄기관으로서연구사업기획 관리 감독을총괄하고기술개발촉진및성과보급을위한법 제도개선업무지원 전문기관 ( 한국건설교통기술기획평가원 ) - 사업관리전문기관으로서연구사업기획 평가 관리등의업무를수행하고, 연구단기획, 진도점검, 단계 ( 중간 ) 평가, 기술확산등을중점관리 추진체계도 - 이상의준고속철도용터널미기압파저감대책실용화기술개발사업의추진체계를도식화하면다음그림과같음 그림 4.2.9 준고속철도용터널미기압파저감대책실용화기술개발사업추진체계 - 199 -
3 절소요예산산정 표 5.1.1 연구과제별소요예산 ( 단위 : 억원 ) - 200 -
예상세부과제 250km/h 급고효율후드의실용화를위한통합설계및평가기술개발 국내외현장시험데이터의분석으로환경영향평가경험식의경험상수평가 초고속터널주행열차모델시험장치에 1/60축척실형상터널및후드설계 / 제작, 실용화성능평가 초고속터널주행열차모델시험장치에의한 TEST-BED 사양의 1/60축척사갱및기재갱의실용화성능평가 주변민가에미치는터널미기압파환경영향평가의상용화 S/W 개발 차세대고효율후드의경제성평가에의한기술가치평가 후드의첨단소재및슬림화구조검토및적용성평가 주변환경과어울리는후드스타일링산업디자인수행 적용소재에안정성과신뢰성이검증된후드 1차시작품제작 (1/10축척 ~1/70축척 ) 본선 TEST-BED 시제품현장시험의장거리모니터링시스템 ( 성능평가 ) 구축 250km/h급운행에서터널미기압파허용기준의지원및개정 ( 안 ) 본선 TEST-BED에서시제품의시험평가모니터링수행및시험결과분석 250km/h 급고효율후드의공기역학적성능평가및모니터링기술개발 3D CFD 해석에의한고효율후드구조체의공기역학적성능평가기법개발 본선 TEST-BED에서의다목적시험용후드의통풍관개구부의면적원격제어및계측인터페이스설계연구 본선 TEST-BED에서의계측지그, 시그널케이블링배치, 콘트롤박스구성및인터페이스설계 ( 주관기관중앙모니터링-빅데이터의 LTE급무선전송시스템 ) 본선 TEST-BED에의다목적시험용후드의주관기관중앙모니터링 S/W 작성및구축, 빅데이터분석 / 처리 본선 Test-Bed 노선터널들의사양, 사갱, 기재갱, 터널주변민가및이격거리도면화, 데이터베이스화 국내고속열차차량특성과철도터널주변환경에대한미기압파민감도연구 TEST-BED 노선의터널출구갱문형상에따른미기압파 3차원방사패턴분석연구 TEST-BED 노선의터널출구외부지형환경에따른미기압파 3차원방사패턴연구 국내콘크리트궤도터널의터널내상세사양에대한방사미기압파의주파수특성연구 250km/h급국내외고속열차와터널사양에대한방사미기압파크기의비교연구 미기압파의크기및 FFT 분석에따른국내민가분포특성에미치는영향평가 소요예산 ( 안 ) ( 단위 : 억원 ) 35.1 억원 (TEST-BED 시작품제작, 시험부설, 현장계측및 모니터링 장비비용의 13.2 억원포함 ) 7.9 억원 1.8 억원 250km/h 급고효율후드의실용화구조안정성및공용중시공성향상기술개발 운행중인철도노선에서의터널입구후드의저비용설치소재 / 시공법개발 터널입구후드의교량설치구조설계 / 시공향상기술개발 후드의첨단소재검토및슬림화구조후드의공진방지및내진성능해석평가및시험평가모니터링, 시험결과분석 본선 TEST-BED에서의구조안정성및시공성향상기술연구 본선 TEST-BED 현장시험의다목적시험용후드의실시설계도면작성 250km/h급실용화를위한최적설계의고효율후드의실시설계도면작성 콘크리트후드와강구조후드등에대한안전기준및지침마련 4.2 억원 - 201 -
표 5.1.2 연구과제별소요예산총괄표 ( 단위 : 억원 ) 준고속철도용터널미기압파저감대책실용화기술개발 1 차년 2 차년 3 차년합계 정부민간정부민간정부민간정부민간 총괄 16.8 23.2 9 49 주관기관 12.2 16.1 6.8 35.1 위탁기관 1 2.7 4 1.2 7.9 위탁기관 2 0.7 0.7 0.4 1.8 위탁기관 3 1.2 2.4 0.6 4.2-202 -
4 절기존연구와의중복성검토및연계방안 분 선행과제명 ( 연구연도 ) 연구자연구목적연구방법주요연구내용 선행과제와의차별성 연구목적연구방법연구내용 1 터널미기압파저감대책최적화기술개발 (2012~2013) 김동현 상부 통풍관형 후드 의 최적화 기술개발로서 420km/h급고속 철도에서 단선 / 복선 터널형식 별, 터널연장별 로 최적성능의 후드사양개발 열차모델터널주행시험기로연구수행 < 현장적용 > Ÿ Ÿ Ÿ 열차진입시상부면활용하여압력구배저감함. 420km/h 급호남고속철도테스트 - 베드우산터널에시범설치및기술이전완료함 1999 년도에원천기술이개발된기존의 상부통풍공형후드 는국내특허만츨원 / 등록하여해외수출불가능 본연구과제는 2014 년 12 월에종료되는 고성능차세대터널미기압파저감대책원천기술개발 과제에서원천기술연구결과물인 열차진행방향에평행한덕트를포함하는후드, 아치형슬릿후드, 날개형후드 의실용화기술개발로 상부통풍관형후드 선행과제기술과는차별화됨 본연구과제는 2014 년 12월에종료되는 고성능차세대터널미기압파저감대책원천기술개발 연구를바탕으로원천기술의응용과파일럿플랜트 ( 현장실험용후드시공설치 ) 제작 / 적용을통해개발장치의검증및신뢰성확보 기존과제는 상부통풍관형후드 에대한축소모델주행실험을수행하였으나, 본과제에서는 2014 년도에개발한신규고성능차세대터널미기압파저감대책원천기술의실용화를위해다양한실제상황에대한적용성검토와파일럿플랜트적용을통해개발장치의검증및신뢰성을확보하여실제적용가능한기술을개발함. 2 고성능차세대터널미기압파저감대책원천기술개발 (2014) 김동현 고성능의터널미기압파저감대책기술개발을목표로 열차진행방향에평행한덕트를포함하는후드, 아치형슬릿후드, 날 개형후드 등을개발하여, 수출이가능한차세대원천기술개발 열차모델터널주행시험및이론적연구를수행 Ÿ Ÿ Ÿ 열차진입방향과평행하게공기압력경감시켜, 후드단면의경감성능은상대적으로더큼. 고성능의차별화된후드 3 가지를신규개발함 원천기술의고성능차세대터널미기압파저감대책기술개발로서국제특허출원하여해외수출가능 본연구과제는 2014 년 12 월에종료되는 고성능차세대터널미기압파저감대책원천기술개발 과제에서원천기술연구결과물인 열차진행방향에평행한덕트를포함하는후드, 아치형슬릿후드, 날개형후 드 의실용화개발임 기술 기존의철도연주요사업 (2014 완료 ) 의 1 단계원천기술개발연구를바탕으로원천기술의응용과파일럿플랜트 ( 현장에실험용후드시공설치 ) 제작 / 적용을통해개발장치의검증및신뢰성확보 기존과제는축소모델주행실험및이론적연구를수행하였으나, 본과제에서는실용화를위해다양한실제상황에 대한적용성검토와파일럿플랜트 ( 현장에실험용후드시공설치 ) 적용을통해개발장치의검증및신뢰성을확보하여실제적용가능한기술을개발함. 선진국의기존기술대비성능 20% 향상, 건설비의 10% 절감을목표로함 - 203 -
400km/h 급 TEST-BED 호남고속철도에통풍관형후드가적용된사례가있으므로속도대역별로다른형태의후드개발이필요한사유 Ÿ 공기역학적인설명으로는, 터널로의열차진입속도에따라압축시간과압축거리, 압축파의크기가달라지기때문에터널입구후드의단면적, 후드의상부통풍관크기와위치, 높이가다르게끔설계되어야함 ( 열차모델터널주행시험기로최적사양을찾아설계함 ). Ÿ 호남고속철도 400km/h 증속구간 Test-bed의우산터널 ( 연장 300m) 종점에 2홀상부통풍관형후드 를시범설치하고현재시운전시험중에있음. 이후드는고속열차의터널진입속도 300km/h ~ 420km/h 범위에대하여최적설계실험을수행하였는데, 호남고속철도터널단면적 96.7m 2 에대하여특히 350km/h ~ 420km/h에대하여최고성능이나오도록후드가설계되었음 ( 사유는호남고속철도사양에서터널미기압파가 350km/h 이상에서발생되는것으로환경영향평가되었음 ). 또한, 호남고속철도터널사양에대한특정한터널단면적 / 열차단면적비율에대하여최적화되었음. Ÿ 그동안원천기술개발을통하여확인한사항은 400km/h급후드의개발사양 ( 공기역학적제원칫수 ) 을그대로 250km/h급터널 ( 복선터널단면적 66m 2, 단선터널단면적 40m²) 에상사시켜적용하면터널미기압파저감성능이매우낮게도출되었음. 즉, 상사성이성립하지않음. Ÿ 통풍관형후드는여러속도대역과여러터널단면적에서열차모델주행시험기로최적설계 ( 성능평가 ) 를수행해본결과터널미기압파저감율이최대 55% 을넘지못함 ( 연장 30m 이하의표준형크기후드비교 ). Ÿ 터널미기압파폭발음은 200km/h 운행에서터널단면적 63.4m 2 에서크게발생한일본신칸센의사례 (1975년) 에서도알수있듯이, 중앙선, 동해선, 중부이륙철도등의터널단면적 ( 운행속도 200km/h급과 250km/h급의단선터널단면적 40m²) 에서는주변민가의창문이파손될정도의큰폭발음발생이확실시됨. Ÿ 고속철도에서세계최대터널단면적을유지하다가, 세계최소터널단면적 ( 운행속도 200km/h급과 250km/h급, 단선터널단면적 40m 2 ) 을적용하기시작한우리나라현실에서고성능의터널미기압파저감후드기술이절실히필요함. Ÿ 고성능후드로는 28m길이의후드를설치하면되는데통풍관형후드로는 60m급을설치하면시공비증가, 주변시설물과의간섭등이발생함. 특히, 터널갱구앞이바로교량인경우가많음. Ÿ 또한독자기술의고성능미기압파저감후드기술을보유하고있으면고속철도관련토목엔지니어링기술을해외수출시에기술입찰에서우위적위치에있게됨. 본기획연구에서검토중인날개형, 처마형후드와수직통풍관형후드와비교하여기술적 경제성측면에서비교 Ÿ 후드길이 30m이하표준형크기에서비교해보았을때, 수직통풍관형후드는미기압파저감율이최대 55% 정도이나날개형후드는미기압파저감율이최대 70% 정도로약 15% 성능이앞섬. - 204 -
Ÿ 후드의성능이높으면후드설치길이 ( 연장 ) 가짧아지기때문에터널갱구앞의교량인경우에설치가간편해집니다. 또한장대터널인경우는터널갱구앞의구난지역과의접근성이좋아짐. 후드길이가짧아지면주변시설물과의간섭이적어짐. Ÿ 수직통풍관형후드는겨울철에상부통풍관을통하여눈이들어오고, 고드름이통풍관을통하여형성될수있는데날개형후드는이러한문제가없음. 또한날개형후드는전차선지지브라켓설치가용이함. Ÿ 시공성문제에있어서, 상부통풍관형후드는아치형구조에서상부통풍관을고려해야하기때문에구조적안정성설계및시공에애로사항이있음. 그러나날개형후드등은상부구조가간단하여설계및시공이용이함. Ÿ 경제적측면에서는, 터널미기압파저감후드를미기압파저감성능 60% 에서 70% 로증가시키려면후드길이가 200% 정도로더길어져야하기때문에날개형후드등이수직통풍관형후드보다설치비가 50% 정도더저렴함 ( 미기압파저감후드는 28m 내외길이까지저감성능이선형적으로증가하다가더길어지면매우둔하게증가하다정체됨 ). 300km/h 로고속열차가운영중인경부고속철도에대한터널미기압파로인한문제점검토 Ÿ 300km/h 운행의경부고속철도는터널내공단면적이 107m 2 로서, 300km/h 운행에대하여최적설계된대만고속철도터널단면적 (90m 2 ) 보다 17m 2 가더크게설계되어있음. 터널미기압파가발생되지않을정도로터널단면적을크게설계하였음. 2002년 ~2005년의실제경부고속철도장대터널에대하여현장계측시험을수행한결과에서도 10Pa 이하의매우작은미기압파강도를나타냄 ( 일본의신칸센허용기준은 50Pa 이하 ). Ÿ 경부고속철도는터널진입속도 420km/h이상에서터널미기압파가크게발생될것으로예상됨 ( 터널연장에따라달라짐 ) Ÿ 대만고속철도처럼터널단면적을작게설계하면터널건설비가절감됨 [ 터널단면적 20% 저감시키면터널건설비 10%~15% 절감됨 ( 지하암질에따라건설비절감액달라짐 )] Ÿ 경부고속철도건설의기본설계당시에터널미기압파저감기술을국내에서확보하고있었으면, 경부고속철도터널단면적을 90m 2 로설계했을것이고, 경부고속철도전체노선 ( 총연장 423.8km) 에서터널이차지하는비율이 46%(195km) 이므로터널단면적 16% 를줄일수있으므로터널건설비는약 8% 절감할수있음. 경부고속철도의대단면터널에대하여 km당터널건설비를 250억원 /km으로잡으면 3,480 억원의건설비가절감됨 ( 경부고속철도건설은 1992년에시작됨. 철도연설립은 1996년 ). ü 경부고속철도전체터널 54개소중에 30개터널입 / 출구에후드설치하면 60개소에후드설치 : 60개소 x 7억원 = 420억원 ( 후드공사비용 ) ü 상기터널건설비절감액 3,480억원은후드공사비를반영한금액임. - 205 -
5 절기대효과 1. 기획연구결과의활용방안 고효율의한국형미기압파저감후드실용화기술 RFP 제시를통한향후과제공모에활용 연구개발사전타당성조사를통한 R&D 기획, 예산확보, 추진등에활용 2. 기대성과 가. 기술적기대성과 터널입 출구민가의충격성소음 / 진동환경문제에대한민원대책확보실용화연구기획 국내 / 외최고성능의터널미기압파저감대책후드엔지니어링기술수출을위한실용화기술개발기획 작은터널내공단면적과콘크리트슬라브궤도에서고속철도의속도향상에가장큰장애요인중에하나인터널미기압파에대한실용화대책기술확보연구기획 철도터널건설비저감에대응하는한국형터널미기압파저감후드실용화의실질적기술대안제시 나. 사회경제적파급효과 터널미기압파저감대책적용으로터널내공단면적을작게할수있으므로철도터널건설비절감됨 터널내공단면적 20% 이상축소효과 터널건설비 15% 절감 현재설계중인중앙선, 중부내륙철도, 동해선철도건설과건설중인원주-강릉신선등의터널미기압파충격성소음 / 진동환경문제해결 (100개소이상 ) 고효율의원천기술의터널미기압파저감대책후드실용화기술개발사업의최적의예산및자원분배를통해 R&D 예산절감 - 206 -
5 장과제제안요구서 1 절과제제안요구서 (RFP) 1. 총괄 ( 주관기관 ) 제안요구서 (RFP) 과제명 준고속철도용터널미기압파저감대책실용화기술개발 1. 연구개발목표 최근국내철도터널설계는터널내공단면적을축소하여터널건설비를크게절감하는추세이며, 유지관리효율성등을감안하여콘크리트궤도공법을적용하고있으며열차의고속화추세임. 이때나타나는문제점인터널미기압파환경소음 진동문제를저렴한대책으로실용화하는핵심기술개발 다양한연장의소단면터널들의고속철도 Test-bed 구성을통한터널미기압파상시모니터링시스템구축및실선로시험평가, DB 뱅크구축 공용중시공성을고려한구조및소재의터널미기압파후드핵심성능평가및시제품개발 세계최고성능의기존대비 20% 향상된터널미기압파저감후드실용화기술개발 2. 연구개발필요성및기술동향 연구개발의필요성 고속열차가터널에진입할때압력파가생성되어터널의끝을향하여음속으로전파된다. 이러한압력파의일부분은충격성소음 / 진동의형태로터널출구로부터외부로방사되는데이를미기압파 (micro-pressure wave) 라고부르며, 터널근처의민가에서는폭발음의환경소음과함께심한저주파진동을느끼게됨. 경부 / 호남고속철도는터널진입속도대비터널내공단면적이매우크기때문에 터널미기압파 라는폭발음발생이없으나, 최근국 내외터널설계는사업비축소, 유지관리효율성등을감안콘크리트궤도공법을적용, 단면축소와고속화추세로터널미기압파대책마련시급 일본, 독일, 중국등고속열차운영국들은 08년이후부터미기압파허용기준을마련건설단계부터저감시설을설계에반영 터널입구미기압파저감후드 는최소터널단면적과콘크리트궤도를제일먼저적용한일본신칸센철도에서 1975년이후에지속적으로연구개발하여, 현재독일, 프랑스등의유럽과중국등은일본에서개발한 창문형후드 를사용하고있음. 일본 - 207 -
기술동향 의미기압파저감후드는 35년동안의연구개발및개량으로지적재산권상에서그동안독점적지위에있었음. 운행속도 200km/h 이상의고속철도에서터널미기압파저감후드대책은시공비가저렴하며, 궁극적으로최적설계의터널단면적에서적용되기때문에최선의터널건설비절감방법임. 국내에터널출구미기압파허용기준 ( 규제치 ) 이없어신뢰성있는환경영향평가수행곤란 - 현재설계중인 100개소이상의터널이콘크리트궤도및최소내공단면적으로계획되어있어미기압파에따른민원급증예상 철도건설이완공된후에저감대책을적용할경우열차운행안전성, 지장물이설, 매몰비용추가, 산악지형조건등으로공사비 5~6배증가 일본은 1975년이후신칸센에콘크리트궤도를적용하기시작하면서터널출구에서미기압파의폭발음발생으로, 현재 500여개소이상에터널미기압파저감후드가설치되어있음. 중국은 200km/h급신선과 300km/h급신선에터널미기압파저감후드를광범위하게적용하고있음. 프랑스는국토의대부분이평야지대이지만국경근처의산악지대철도터널에는터널내공단면적최적화와더불어, 터널출구미기압파를저감시키기위하여터널입구후드를적용하고있음. 독일은 2006년도의 Nuremberg-Ingolstadt 신선에서콘크리트궤도인터널에서미기압파문제의심각성을인식하고, 2007년부터의 ICE 신선에는터널미기압파저감후드를적용하고있음. 3. 연구개발내용 250km/h급고효율후드의실용화를위한통합설계및평가기술개발 ( 복선 / 단선터널포함 ) 250km/h급고효율후드의공기역학적성능평가및모니터링기술개발 ( 복선 / 단선터널포함 ) 국내고속열차차량특성과철도터널주변환경에대한미기압파민감도연구 250km/h 급고효율후드의실용화구조안정성및공용중시공성향상기술개발 ( 복선 / 단선터널포함 ) CTE 연차별 TRL 성과목표 초고속터널주행열차모델시험장치에의한실형상터널및후드최적설계제작물 주변민가에미치는터널미기압파환경영향평가의상용화 S/W 주변환경과어울리는후드스타일링산업디자인결과물 1 차년도 2 차년도 3 차년도 5 6 8 5 6 9 5 6 9 평가방법 관련전문가평가모형시험결과비교현장시험데이터와의비교검증 관련평가 전문가 - 208 -
3D CFD 해석에의한고효율후드구조체의공기역학적성능평가기법보고서 5 6 7 관련평가 전문가 본선 TEST-BED 시제품의장거리모니터링시스템 ( 성능평가 ) 설계및데이터무선전송시스템설계도및사양서 5 5 8 관련평가 전문가 본선 TEST-BED 의중앙모니터링을위한소프트웨어및 Web Page 마련 5 6 9 관련평가 전문가 국내운행고속열차와철도터널내부및터널외부지형환경에대한터널미기압파특성에대한보고서운행중인철도노선에서의터널입구후드의저비용설치소재 / 시공법 터널입구후드의교량설치구조설계 / 시공향상기술보고서 콘크리트후드와강구조후드등에대한안전기준및지침 적용소재에안정성과신뢰성이검증된후드시제품 본선 시험부설 TEST-BED 에서의 현장시 험및평가기술보고서 후드시제품을본선시험부설 TEST-BED 에구축 250km/h 급운행에서터널미기압파허용기준의지원및개정 ( 안 ) 5 6 7 5 6 7 5 6 7 5 6 7 6 8 9 6 7 8 5 8 9 6 8 9 관련평가 관련평가 관련평가 전문가 전문가 전문가 관련전문가평가시작품시험평가검증 관련평가 전문가 시험평가에의한성능충족여부검증 시작품시험평가및검증 관련평가 전문가 4. 연구개발추진방법 추진전략 확보된터널미기압파저감대책원천기술활용 기존개발된원천기술을활용하고 CFD 시뮬레이션및성능검증을위해관련연구기관보유장비활용 ( 터널주행열차모델시험기 ) 실용화를위해핵심기술개발과테스트베드구축과시작품제작및테스트베드현장검증으로단계별기술개발전략추진 국내외테스트베드를상호교류하는현장시험으로폭넓은데이터뱅크구축 국내외전문가활용 추진체계 철도, 건설, 공기역학관련전문연구기관의산학연협력체계를 구축하여개발수행 국내기술수준이취약한분야에서해외전문기관과협력체계구 - 209 -
5. 사업기간및소요예 산 축 사업기간 : 2016년 ~2018년 (3년) 사업예산 - 총사업비 : 정부 49억원 6. 기타 터널미기압파저감대책의실용화및테스트베드입지확보를 위해철도관련기관와의협력체계구축필요 - 210 -
2. 총괄제안요구서 (RFP) 의주요연구내용분류 가. 250km/h 급고효율후드의실용화를위한통합설계및평가기술개발 최고성능의기존대비 향상된터널미기압파저감후드실용화기술개발 공용중시공성을고려한구조및소재의터널미기압파저감후드핵심성능평가및시제품개발 본선 구성을통한고효율터널미기압파저감후드의실선로시험평가및 뱅크구축 국내외현장시험데이터의분석으로환경영향평가경험식의경험상수평가 초고속터널주행열차모델시험장치에 축척실형상터널및후드설계 제작 실용화성능평가 초고속터널주행열차모델시험장치에의한 사양의 축척사갱및기재갱의실용화성능평가 주변민가에미치는터널미기압파환경영향평가의상용화 개발 차세대고효율후드의경제성평가에의한기술가치평가 후드의첨단소재및슬림화구조검토및적용성평가 주변환경과어울리는후드스타일링산업디자인수행 적용소재에안정성과신뢰성이검증된후드 차시작품제작 본선 시제품현장시험의장거리모니터링시스템구축 급운행에서터널미기압파허용기준의지원및개정 안 본선 에서시제품의시험평가모니터링수행및시험결과분석 년도의 차세대고효율미기압파저감후드원천기술 을활용하여 본선 에시작품제작설치하여성능검증및실용화 본선 에서의현장시험에앞서서 실용화최종형상모델에대하여 축척터널주행열차모델시험장치로터널내부구조및주변지형을고려한현장최적화시험수행 공용중시공성을향상시키기위한첨단소재마감및슬림화골조적용기술개발 적용소재의안정성과신뢰성을검증하고 주변환경과어울리는산업디자인이적용된시작품설계및현장시공 현장시험 뱅크를활용한터널미기압파환경영향평가상용화 개발 본선 연장별터널들에서터널미기압파현장시험및 구축 급원격상시중앙모니터링시스템구축으로기상상황별및터널내기류에따른민가에서의터널미기압파영향 구축 급열차운행에서의터널미기압파의허용기준제정지원및개정작업 < 차세대고효율미기압파저감후드원천기술 ( 확보된기술 )> - 211 -
< 차세대고효율미기압파저감후드원천기술의우수성 > 나. 개발기술의성능과안전성확보를위한 TEST-BED 현장시험 실제터널에대한 설치를통하여고속열차주행시의미기압파발생을현장시험하고 이에대한데이터베이스를원격으로구축함으로서실험및해석적방법의한계를극복하고국내터널에최적화된환경영향평가및대응기술완성 고효율미기압파저감후드시작품에대한 현장시험및성능평가로실용화 본선시험부설 구축방안 개발기술현장평가기법제시 시작품제작시공 현장시험부설 현장시험및평가 모니터링시스템구축을통한데이터베이스축적기반수립 는개통예정인터널들에미기압파의상시모니터링시스템을구축하고열차운행조건및기상상태 미기압파및터널내압력변동등을측정할수있도록구성하고 열차운행시발생되는미기압파등의계측데이터를중앙의서버로무선통신망을이용하여전송하여중앙의클라우드시스템에서빅 데이터를실시간으로처리하여계측데이터를분석 평가 에서의현장시험은크게 가지로구분하여미기압파저감대책을적용하지않은터널들과터널미기압파저감대책이적용된터널에대하여수행 미기압파대책미적용터널은터널연장별로 개소터널에대하여수행필요함 - 212 -
<LTE 급무선원격중앙모니터링에의한 TEST-BED 현장시험 > 다. 250km/h 급고효율후드의공기역학적성능평가및모니터링기술개발 3D CFD 해석에의한고효율후드구조체의공기역학적성능평가기술개발을수행하여, TEST-BED 현장시험을위한계측센서네트워크구성및 LTE 급무선원격중앙모니터링기술개발 의한고효율후드구조체의공기역학적성능평가기법개발 본선 에서의다목적시험용후드의통풍관개구부의면적원격제어및계측인터페이스설계연구 본선 에서의계측지그 시그널케이블링배치 콘트롤박스구성및인터페이스설계 중앙모니터링 빅데이터의 급무선전송시스템 본선 에의다목적시험용후드의중앙모니터링 작성및구축 빅데이터분석 처리 본선 노선터널들의사양 사갱 기재갱 터널주변민가및이격거리도면화 데이터베이스화 고효율후드의실용화를위해서는다양한형상및주변조건의모사에의한정확한예측이필요하며 이는해석적방법과실험적연구 현장에서의실측에의한데이터가모두필요함 특히 후드구조체의형상변경및주변지형의변경에대한패러미터연구는실험적방법으로모두분석이곤란하므로이를 에의하여분석하여데이터베이스화하고예측 에반영하여야함 현장계측시스템은열차의주행속도 터널내압력 후드내부및입구부의압력및풍향풍속뿐아니라터널주변의기상여건까지계측하여열차통과시에발생되는다양한변수에의한미기압파발생량에대한영향을감안할수있도록설치하여야함 기존의현장실측은터널당수일간의관측을통하여데이터를수집하였으나 본연구의 구축시에는현장에장기간계측장비를설치하여관측함으로서시간대비많은양의데이터를확보할수있으며 이를토대로미기압파크기에영향을주는변수에대한변동추이를추적할수있음 이를위하여터널현장과연구수행자의개인용 를실시간으로연결할수있는모니터링시스템의구축이필수적임 모니터링시스템은무선통신망을이용한인터넷웹페이지와저장서버로구성되며 데이터분석에필요한제반기능을갖추도록구성 - 213 -
의한후드구조체의공기역학적특성평가 계측센서네트워크및 급무선원격중앙모니터링기술 라. 250km/h 급고효율후드의실용화구조안정성및공용중시공성향상기술개발 운영중철도터널에도시공이가능하고외관이미려하며 후드구조가열차의반복적인열차풍과진동에도내구성있어야하며 저비용 고효율로건설이가능한구조설계및시공기술개발 운행중인철도노선에서의터널입구후드의저비용설치소재 시공법개발 터널입구후드의교량설치구조설계 시공향상기술개발 후드의첨단소재검토및슬림화구조후드의공진방지및내진성능해석평가및시험평가모니터링 시험결과분석 본선 에서의구조안정성및시공성향상기술연구 본선 현장시험의다목적시험용후드의실시설계도면작성 급실용화를위한최적설계의고효율후드의실시설계도면작성 콘크리트후드와강구조후드등에대한안전기준및지침마련 터널미기압파저감후드는철도건설중에설치하는방법과시운전시험이나개통후에즉 운행중에설치하는방법으로나눌수있다 철도건설중에후드를시공하는방법은기존의개착식터널시공기술로가능하여현장타설공법을적용하던지프리캐스트콘크리트공법으로시공을할수있다 다만터널출구와후드구조물시작부의내공단면적이다르기때문에이에대한간편한보강기술이필요하다 국내에서는매우큰단면적의철도터널을최근까지적용하였기때문에국내에미기압파가크게발생되는현장과경험이없어서 최적의소단면적의터널을적용한원주 강릉신선부터는시운전시험에서미기압파가크게터져나오면공용중인상황에서후드를설치하여야한다 공용중에후드를설치하는방법으로는금속골조 빔등 를이용하여데크 플레이트로마감하는방법이있는데이때대형크레인이들어가기위한진입도로를만들어주어야하고 전차선전봇대를이설해야하고 작업공간을위해철도변사면을일부붕괴시켜야하며심야에 시간의짧은작업시간이허용되기때문에철도건설중에설치하는것보다 배의시공비가소요된다 일본신칸센사례 또한터널출구에서바로교량으로이어지는경우에는교량위에후드를저비용으로시공할수있는기술개발이필요하다 이에첨단소재마감과간편한골조구조로조립성이우수하고 공용중시공성과공사기간을짧게할수있는후드구조체에대한기술개발이필요함 - 214 -
< 세계각국의터널미기압파저감후드 > 마. 국내고속철도차량특성과철도터널주변환경에대한미기압파민감도연구 고속열차와철도터널의고유사양과터널출구외부지형환경에대하여즉 국내운영환경에서의터널미기압파초저주파특성과방사패턴의특성을분석 평가하여허용기준개정안과환경영향평가프로그램에반영 노선의터널출구갱문형상에따른미기압파 차원방사패턴분석연구 노선의터널출구외부지형환경에따른미기압파 차원방사패턴연구 국내콘크리트궤도터널의터널내상세사양에대한방사미기압파의주파수특성연구 급국내외고속열차와터널사양에대한방사미기압파크기의비교연구 미기압파의크기및 분석에따른국내민가분포특성에미치는영향평가 국내운행또는운행예정인고속열차사양과국내철도터널에적용하고있는레다 콘크리트궤도의형상특성 터널내각종케이블매설의공동구구조특성 기재갱제원특성을반영하여미기압파주파수특성연구필요 국내에서적용하는철도터널들의경사갱문의경사각도와 차원형상특성을반영하여터널미기압파의방사패턴을분석하고특성을파악 국내철도터널사양에서터널미기압파의크기에따른 주파수분석으로미기압파허용기준치의개정에활용 고속열차와철도터널주변지형에따른미기압파의방사패턴 - 215 -