1. 서 론
국내 철도 점검로 미확보로 인한 지속적인 중대재해사고의 위험성 증가로 선로 유지관리의 안전성 확보가 크게 요구되며, 이에 따른 대책이 절실한 실정이다. 현재 노반폭이 미확보되거나 점검로가 설치되지 않은 현장에서 시공되는 주요 공법은 인력작업이 대부분 공정을 차지하여 안전사고의 위험성에 노출되어 있다. 또한, 철도 선로 특성상 공사를 위한 진입로와 공사용 가도가 필요하고 사유지의 토지수용이 불가피하며, 우기철 및 공절기에 대한 적업이 제한된다. 따라서, 급속시공이 가능한 프리캐스트 점검로 기술 통하여 이러한 문제점을 해결함과 동시에 시공성 및 경제성을 향상시킨 철도 점검보도 시스템을 개발하고자 한다.
철도 노반 설계기준(KR, 2024) 개정에 따라 노반폭, 도상어깨 높이와 기울기 등의 기준이 Fig. 1과 같이 변경되었다. 과거 일제 강점기와 산업 발전 시기의 철도설계 기준에서 노반폭은 4,210 mm였으나, 최근 KDS 설계기준에서는 철도의 수송능력 확대에 따른 중량화, 레일규격의 변화 등으로 5,308 mm로 확장되었다. 또한, 도상어깨의 높이는 열차하중에 대한 횡저항력 확보를 위해 100 mm 확보하여야 하고, 도상어깨의 기울기도 1:1.5에서 1;1.6–1.8로 강화되었다(KR, 2024).
기존 철도 노반폭 부족 개소에 대하여 현재는 목침목을 재활용하여 임시 설치하거나 석축을 추가로 쌓아 노반폭을 확보하고 있는 실정이다. 목침목 또는 석축 쌓기가 불가능한 구간에는 주기적인 유지보수를 진행하여 이와 관련된 유지관리 비용이 매년 증가하는 추세이다. 성토 노반은 선로 인접 주택과 전답 등 민간 사유지로 인해 공사용 장비의 진출입 및 보강공사를 위한 막대한 토지수용 비용이 발생하고 있다. 또한, 보강공사가 진행되지 못하는 현장의 경우, 우기철 노반유실이 빈번히 발생하게 된다. 노반폭 확보를 위한 목침목을 임시 설치할 때 현장여건 및 작업특성 상 기계시공이 곤란하여 고중량의 목침목을 인력으로 시공하며, 이에 따른 과다한 인력투입과 비효율적인 보강공사가 진행되고 있어 시급한 개선이 필요한 실정이다.
현재 열차운행에 대한 안전성 확보를 위한 노반폭 및 점검자의 안전성 향상을 위한 점검로 확보를 위하여 목침목 임시 설치와 식생토낭, 철재 점검로 설치공법이 주로 적용되고 있다(Fig. 2 참조). 이러한 기존공법은 재료 수급이 용이하고 다수의 시공 실적을 가지고 있지만 경사면 절취와 인력에 의한 과다작업, 잡철물 용접 등으로 경제성과 시공 안전성 결여와 같은 중대해재 사고에 높은 위험성을 가지고 있다. 또한, 별도의 진입로 및 공사용 가도가 불가피하여 부대비용(가도, 농작물 보상 등)이 과다하게 발생하고, 민원발생으로 인한 협의 증대로 공사기간이 지연되고 있다(KR, 2024).
일반적으로 열차 차단 시간 내(야간)에만 공사를 진행하는 특성상 공사기간이 과도하게 증가하고 있으며, 이에 따라 안전책임자 및 열차 안전관리원을 배치 후 열차운행 중에도 공사를 진행하기도 하지만 열차와 인접한 인력 및 장비 작업으로 인해 중대해해사고 발생 위험성은 개선되지 않고 있다.
Fig. 2(a) and (b)와 같이 현재 국내 철도 점검로를 위한 공법은 크게 두 가지로, 식생토낭과 철재 점검로가 주를 이루고 있다. 이 공법들은 철도 점검로의 적용 보다는 사면안정 및 난간을 필요로 하는 일반적인 공법으로 사용되는 매우 보편적인 공법이며 그 특징은 다음과 같다.
식생토낭은 대부분 해당분야 전문기업에 의해 시공되고 기본적인 기술의 구성은 토사와의 결속력 강화와 품질관리에 한정되어 있다. 이것은 흙쌓기 시공이 이루어진 상·하부노반 표면층에서 진행되는 공법으로 자연재해에 의한 사고 위험성을 내포하고 있다. 또한, 열차 운행중인 철도 노반의 경사면을 부분 절취하기 때문에 과중한 열차하중과 진동발생으로 인하여 노반침하, 지반취약 및 우기철 집중호우로 인한 유실 붕괴 위험성도 높다.
철재 점검로는 매우 보편적인 공법으로 모든 공정이 인력으로 진행되고 철재는 용접을 통해 연결 조립된다. 비구조용 소형강관 비계파이프가 기초로 주로 사용되며, 주간 열차 운행 중 인력 근접시공으로 중대재해사고 발생위험도 또한 높다. 시공특성상 진입로(가도)를 필요로 하고 취약한 노반 경사면의 부분 절취가 필요하다. 철재 외에 알루미늄 점검로는(Choi et al., 2016)에서 압출방식의 구조적 성능에 대한 보고가 이루어져 있다.
국외 철도 유지관리와 관련하여 자갈도상의 안정과 점검로 확보를 위한 공법들은 경제성을 고려하여 몇 가지 특정공법에 한정되어 있다. Fig. 2(c) and (d)와 같이 프리캐스트 패널을 이용한 점검보도와 도상유실방지를 위한 철재 팬스를 설치하는 것이 보편적이다. 기본적으로 노반폭을 확보 후 자갈의 흘러내림 방지와 도상 횡저항력 및 점검로를 확보하고 있으나, 한국의 선로 인접 조건(주택, 건물, 하천 등)에 대한 시공 적용은 곤란한 경우가 많다.
2. 프리캐스트 철도 점검로 시스템
앞에서 언급한 바와 같이 철도 점검로는 도상의 유실을 방지함과 동시에 유지관리 작업자의 안전한 대피와 이동이 그 목적이라 할 수 있다. 그러므로 점검로는 자갈도상의 높이와 폭을 유지하고, 도상의 횡력에 저항할 수 있는 구조체가 필요하며, 오랜 시간 동안 부식 및 변형에 저항할 수 있는 고품질의 내구성이 요구된다. 이에 프리캐스트 콘크리트로 공장 제작된 점검로를 Fig. 3과 같이 제안하였다.
Fig. 3(a) and (b)는 각각 공동구를 포함한 U형의 점검로와 공동구가 없는 일반형(데크형식)의 점검로를 나타내고 있다. 이 두 모델은 50 cm 이상의 높이를 가진 자갈막이와 콘크리트 엥커에 의해 연결된 난간으로 구성되어 있다. 철도시설의 기술기준(MOLIT, 2025)에 따라서 보도의 폭은 70 cm로 결정하였으며, 난간의 높이 및 발끝막이판 또한 본 규정에 의하여 발판 상면으로부터 10 cm 높이를 주었다.
Fig. 3(c)는 성토된 선로의 표준단면에 배치된 PC(Precast Concrete) 점검로를 나타내고 있다. 그림에서 보인 바와 같이 본 점검보도는 헬리컬 파일을 기초롤 지지하여 PC 점검로가 거치되는 상·하부 구조로 구성되어 있다. 본 PC 점검로는 선로 중심으로부터 약 2.5–3.5 m에 배치되는데, 이는 전철주와의 간섭을 피할 수 없는 위치이며 이에 따른 해결방안으로 Fig. 4와 같은 전철주 주변을 돌아나가는 굴절된 PC 세그멘트가 도입될 계획이다. 또한, 이 굴절형 세그와 표준 PC세그 사이는 시공 오차에 따른 길이 조정이 가능한 세그가 삽입되어 PC세그의 간격이 조정된다.
본 공법의 시공 순서는 Fig. 5와 같이 6단계로, 그 순서와 특징은 아래와 같다.
(1) 적용 현장의 조건파악 및 측량
(2) 적용 현장의 가장 가까운 곳에서 크레인에 의해 트롤리, 굴삭기 그리고 시공 부재 투입
(3) 측량에 의해 표기된 위치에 헬리켈 파일 회전 압입
(4) 배치된 헬리켈 파일 상단 PC 받침 플레이트 연결
(5) 받침 플레이트를 지점으로하는 PC 부재의 거치 및 연결
(6) 난간 및 PC 연결부등 최종 확인
시공이 이루어지는 시간은 열차가 차단된 4시간 내외의 야간으로, 열차에 의한 안전사고는 예방할 수는 있으나, 짧은 시간 내에 목표치에 만족할 시공이 필요하므로 작업의 신속성과 PC 부재의 길이(파일작업의 최소화)가 중요 요소라 할 수 있다. 또한, PC 부재는 트롤리에서 적용 위치까지 소형굴삭기가 인양 및 설치하기 때문에 PC의 중량이 소형굴삭기의 전도를 유발시키지 않는 범위에서 경량화 되어야 한다.
3. 프리캐스트 철도 점검로 현장 시공 성능 검증
노반폭 부족 개소의 안전 확보를 위하여 공법의 적정성 평가 및 투명성 확보를 위하여 현장 시험 시공을 수행하였다. 이것은 중대재해예방 및 철도 유지관리 작업자의 안전 확보, 그리고 자갈도상의 측면 보강(유실방지)등을 위한 본 PC 점검로의 현장 적용이다. 실재 열차가 운행 중인 철도 구간 약 40 m에 대하여 자갈유실 방지 목적의 폐침목이 있는 구간과 폐침목이 없는 구간으로 나누어 실시되었다. Fig. 6과 같은 단면의 PC점검로를 1 m 단위길이로 시공하였다. 본 PC 점검로의 단면은 일반 철도교 단면에서 사용되는 RC 점검로의 단면을 이용하여 배근 및 기타 세부사항을 활용하였다.
PC 점검로 시스템의 시공법은 중대재해예방 및 작업자의 안전확보에 적합하며, ‘산업안전보건법’ 제38조와 ‘철도시설의 기술기준’ 제15조(선로의 대피시설)에 따라 작업자가 안전하게 대피할 수 있는 공간(0.7 m 이상)을 만족한다. 또한, 시험시공 결과, 선로변 노반 확보를 위한 기존공법(철재점검로, 식생토낭, 옹벽 등) 대비 재해 위험 감소 및 공기단축 등이 우수하며, 도상횡저항력 측정 결과 일반구간대비 저항력 확보가 유리한 것으로 판단되었다. 단, 소형장비(굴삭기 0.2)에 의하여 헬리켈 파일을 천공하는 공법으로 성토노반 내 전석이 매립되어 있는 구간이나 암반구간에서의 효율적인 공정관리를 위한 별도의 시공방법이 필요하다(Fig. 7 참조).
4. 장경간 프리캐스트 철도 점검로의 성능 검증
현장 시험 시공을 통하여 발생된 문제점과 개선을 위해 다양한 작업이 이루어졌으며, 그중 가장 시급한 요소로 프리캐스트 상부구조의 장경간화가 지적되었다. PC 검검로의 장경간화는 파일 작업시간과 개수의 축소를 가능하게 하며, 이는 급속시공과 경제성을 높이는 의미를 갖는다. 따라서, 성능검증 실험을 통하여 장경간화된 PC점검로의 내하력과 사용성을 입증하고 이를 현장에 적용하고자 한다.
PC 점검로는 트롤리로 현장에 이동되어 소형굴삭기에 의해 인양 및 거치된다. 따라서, 앞서 시공순서에서 언급한 바와 같이 그 중량에 크게 의존한다. 기존 PC 점검로의 단면 축소를 위하여 철근 배근이 Fig. 8과 같이 격자형태의 배근을 통하여 단면을 축소시켰고, 공동구를 포함한 A-타입의 경우 난간이 연결되는 블록을 별도로 제작 연결할 수 있게 하여 인양 무게를 최소화하려 하였다. 따라서, 기존 PC점검로의 무게를 m당 약 50% 절감할 수 있었으며, 3 m의 경간 적용이 가능할 것으로 예상된다.
성능검증 실험은 Fig. 8에서 보인 바와 같이 활하중(군중하중)에 의한 저항성능과 도상 횡압력에 의한 저항성능으로, 실험은 각 타입별 수직, 수평 정재하 실험을 실시되었다. A 타입의 프리캐스트 자중(사하중)은 2.18 tonf이며, B 타입은 1.48 tonf이다. A타입의 경우 상대적으로 높은 자중을 갖으나 공동구 덮개와 난간을 연결하는 PC 블록을 별도로 조립하게 설계되어 이를 제외한 자체 중량은 1.30 tonf으로 B 타입보다 가볍다.
활하중은 설계규정(KR, 2024)과 및 기존 연구자료(Yang, 2020; Lim, 2004)를 바탕으로 군중하중 및 설하중 등을 고려하여 14.3 kN 하중이 사용하중으로 산정되었고, 도상의 횡압력은 토압(9.8 kN)과 횡력 24 kN을 더한 33.9 kN이 사용하중으로 수평하중이 재하되었다. 도상의 횡압력은 Aela 등(Aela et al., 2021, 2023; Wang et al., 2023)에서 그 영향과 저항에 대한 평가를 참고하였다. 실험의 경계조건과 세팅은 Fig. 9와 같이 반력대와 UTM을 이용하여 가력하였다.
각 타입별 실험체의 성능검증 실험은 최대 사용하중의 약 2배에 달하는 하중까지 재하하여 사용성과 내하력을 확인하고자 하였다. 수직 정적 재하 하중의 경우, 사용하중은 각각 자중을 제외한 순수 활하중 14.3 kN이며, 이 때의 사용성(균열 및 처짐등)에 대한 체크 후 추가 하중을 재하하였다. 최대 하중은 사용하중의 2배를 목표치로 선정하여 가력하였다(수직 정적 재하 실험 최대하중 : A타입 실험체 = 50.4 kN, B타입 실험체 = 4.43 kN).
수평 하중 재하는 33.9 kN의 사용하중에 자연재해와 같은 순간적인 외력을 고려하여 약 3배의 최대하중으로 90 kN의 하중을 재하하였다.
A 타입 실험체의 수직 하중 재하실험은 Fig. 10에서와 같이 실험 최대하중까지 탄성 거동을 보였으며, 사용하중 하에서 균열은 발생하지 않았다. 중앙부 최대 모멘트 구간의 처짐은 사용하중 하에서 약 0.15 mm로 매우 작은 값을 보였으며, 압축 철근과 단면 하부의 인장 철근도 선형 거동을 보였고 100 µε 이내의 변형률 값을 보였다. 첫 균열은 실험 최대하중 이후 약 60.0 kN에서 단면의 좌측하부에서 발생하였다.
또한, 수평하중재하 실험 결과는 Fig. 11에서와 같이 나타났다. 수평 처짐의 경우 사용하중 하에서 약 0.15 mm 발생하였고, 단면 하부의 철근 또한 각각 인장과 압축에 대하여 선형적은 거동과 함께 100 µε 이내의 변형률 값을 나타냈다. 수직하중의 거동과 매우 유사한 결과를 수평하중에서 보였으며, 수평 횡압력에 대한 저항력에 또한 사용성과 내하력에 문제가 없는 것으로 확인되었다.
공동구가 없는 B 타입 실험체의 수직 하중 재하실험은 Fig. 12에서와 같이 실험 최대하중까지 탄성 거동을 보였으며, 사용하중 하에서 균열은 발생하지 않았다. 중앙부 최대 모멘트 구간의 처짐은 사용하중 하에서 약 0.15 mm로 A 타입과 유사한 거동을 보였으며, 압축 철근과 단면 하부의 인장 철근도 또한 선형 거동을 보였고 실험최대 하중 44.3 kN에 대하여 100 µε 이내의 변형률 값을 보였다.
또한, B 타입 실험체의 수평하중재하 실험 결과는 Fig. 13에서와 같이 나타났다. 수평 처짐의 경우 사용하중 하에서 약 0.07 mm 발생하였고, 단면 하부의 철근 또한 각각 압축과 인장에 대하여 선형적은 거동과 함께 각각 10 µε와 25 µε의변형률 값을 나타냈다. U형 단면의 A타입보다 더 작은 값의 변형과 응력보여 B타입의 횡저항력이 매우 우수함을 알 수 있다. 그러므로 B 타입 또한 사용성과 내하력에 문제가 없는 것으로 확인되었다.
추가사항으로 본 연구에서 개발한 프리캐스트 철도 점검로의 현장 적용성 극대화를 위해서는 향후 선로 인접에서의 열차에 의한 진동 및 충격하중에 대한 영향을 분석하여 제시할 필요가 있다.
5. 결 론
본 연구는 철도 열차와 작업자의 사고가 지속적으로 발생하는 가운데 철도 유지관리 작업의 안전을 목적으로 작업자가 안전하게 대피 및 이동할 수 있고, 선로 도상의 횡압에 저항하여 도상유실방지가 가능한 철도 프리캐스트 점검보도를 개발하였다. 본 공법은 시험 시공을 통하여 최적화된 시공법과 점검로를 계획하고 이를 성능평가하여 사용성과 내하력을 입증하였다. 이를 통하여 도출된 결과를 정리하면 아래와 같다.
(1) 저중량 프리캐스트 점검로: 기존 점검보도들의 문제점을 보완하여 급속시공이 가능하고 내하력 및 내구성이 우수한 프리캐스트 점검보도 개발하여 그 성능을 확인하였다. 본 PC 점검보도는 격자 철근 배근으로 단면을 감소시켜 소형굴착기가 인양 및 거치하는데 문제가 없고 실험을 통하여 처짐 및 응력 등 사용성뿐만 아니라 내하력 또한 입증되어 장경간화에 따른 급속시공이 가능하다.
(2) 도상 횡압에 대한 저항: 본 PC 점검로는 50 cm 이상의 자갈막이가 있는 단면을 가지고 있으며(이 단면은 장경간화 된 PC의 강성을 갖는데 도움이 된다), 헬리켈 파일에 의한 지점부가 형성되어 도상 횡압력에 대한 저항성이 우수하다. 또한, 이동수단으로의 점검로와 함께 도상의 유실 방지 기능을 함께 가지고 있다 할 수 있다.
(3) 헬리켈 파일을 이용한 안정된 지점부 형성: 헬리켈 파일은 같은 간격의 지점부를 반복하여 굴삭기가 작업을 하며, 신속하고 정확한 현장 작업이 가능하다. 헬리켈 파일은 2단의 헬리켈을 사용하여 3 m 길이의 파일을 사용하여 현장 작업 효율을 증대시킬 수 있다.
(4) 트롤리를 이용한 운송 및 급속시공: 트롤리를 이용한 현장 진입으로 기존 사유지를 통한 진입과 비교하여 제한이 없고 신속하여 민간협의에 대한 부담이 발생하지 않아 신속한 시공이 가능하다. 트롤리 운송은 비교적 안전하고 목표치의 물량을 이동하는데 큰 무리가 없어 급속시공의 중요 요소이다. 또한, 함께 투입되는 소형굴삭기는 파일링과 PC 인양 및 거치 작업을 담당하여 최소 인력으로 장비에 의한 안전하고 신속한 시공이 가능하다.
