경량전철은 차량 및 선로의 적용기술에 따라 철제차륜형 AGT(Automated Guideway System), 고무차륜형 AGT, 모노레일(현수식, 과좌식), LIM(Linear Induction Motor: 선형유도모터) AGT, HSST(High Speed Surface Transport)등으로 구분된다.
현재 전세계적으로 250여종의 경량전철시스템이 운행중에 있는데, 국내에서도 25개시에서 약650km의 경량철도를 설계 또는 계획중에 있어 각 지역의 여건 및 기술수준에 따라 적절한 시스템이 채택되어야 할 것이다. 다행이 금년(1999년)부터 4년간 한국철도기술연구원의 총괄주관으로 경량전철시스템 기술개발사업을 산 학 연 공동연구사업으로 착수하게 되어 사업완료 후에는 국내기반기술의 구축으로 경량전철 건설 및 운영이 가능하리라 판단된다.
경량전철은 차량시스템의 특성에 따라 궤도구조 및 선로구축물이 상이한데, 본문에서는 경량전철시스템 기술개발사업에서 목표사양으로 채택된 철제 및 고무차륜 AGT시스템, LIM AGT시스템을 위주로 선로구축물 분야의 일반적인 기술특징과 기존선로와의 기술적 차이점을 소개하며, 현재 운행중인 선진외국의 사례 및 기술발전 추세를 살펴보고 향후 국내기술의 개발방향을 제언하고자 한다.
2. 경량전철 선로의 특징 및 기존선로와의 기술적 차이점
경량전철은 기계, 전기, 전자, 토목, 신호, 통신 등 여러 분야의 최신기술로 이루어진 전용궤도를 이용하는 철도시스템으로, 기존의 중량전철과 비슷한 서비스를 제공하면서 초기 투자비의 부담이 적어 세계의 여러도시에서 운행되고 있다. 또한 완전무인 운전이 가능한 새로운 교통수단으로 운영요원의 절감, 소요에너지의 경감이 가능하며, 승객에 대한 서비스면에서도 정시성, 안전성, 저공해성의 신(新) 도시철도이다.
선로구축물분야에서 기존철도(고속철도, 국철, 도시철도)와 비교해서 경량전철의 장점은 다음과 같이 요약될 수 있다.
- 차량과 궤도가 소형·경량 : 하중이 상대적으로 작아 간결구조가 가능하며 경제적
- 전자동 무인 운전, 무인 역사 가능 : 유지관리비(인건비) 저렴
- 기존 지하철에 비해 짧은 역간 거리 : 접근성이 좋아 이용에 편리
- 작은 회전반경 및 등판구배 능력 우수 : 선형계획이 용이하여 지상으로 도심지 운행가능
- 건설비 및 유지관리비 저렴
- 저소음, 저진동, 무공해 시스템
- 도시경관과의 조화 우수
상기의 거시적 경량전철의 장점 외에도 구체적으로는 궤도분야에서 특이한 몇가지 차이점이 있다. 철제차륜형식의 AGT시스템은 기존차량에 비해 차량이 작고 경량이며 전력공급방식이 차이가 나지만 기존의 선로와 기술적인 큰 차이점은 없다.
하지만 고무바퀴시스템은 <그림 1> 에서와 같이 레일대신 주행로와 측면의 안내레일(案內軌條:Guide Way)이 있어 분기기 등 기술적으로 고려할 사항이 추가적으로 발생하며, LIM시스템의 궤도는 주로 철제바퀴AGT시스템과 유사한데 단지 구동에 필요한 리엑션플레이트(Reaction Plate 또는 Reaction Rail)를 <그림 2>에서와 같이 양쪽 레일사이에 설치하여야 한다.
이 플레이트 때문에 장대레일 종하중과 동시에 온도변화에 따라 플레이트의 거동이 구조물에 미치는 영향을 고려하여야 한다.
<그림 1> 고무바퀴 AGT시스템의 궤도단면(단선)
<그림 2> LIM시스템의 궤도단면(단선)
또한 경량전철은 시스템의 특성상 공항지역, 위락지역, 도심지역 및 주요시설에 10km∼20km정도의 연장으로 운행되고 있으며, 대부분 독립된 전용 고가구조물 위를 주행한다. 이 경량전철 고가교의 설계는 기존의 철도교 및 일반 도로교의 시방규정에 대한 적용가능성을 면밀히 검토되어야 하는데, 일본, 프랑스, 캐나다 등은 경량전철 전용 시방규정을 갖추고 있다.
미국의 경우, 도로교에 적용하는 AASHTO 시방규준과 철도교에 적용하는 American Railway Engineering Association(AREA) 시방규준을 적절히 준용하고 있는 실정이다. 국내에서도 이번의 경량전철시스템 기술개발에서 경량전철 전용 설계표준시방서를 작성할 계획이며, 차량 및 하중특성을 충분히 검토·고려한 각 시스템별 구조물 설계지침이 발간되어 경량전철 구조물의 표준화 및 규격화를 유도할 계획이며, 그 결과 사회간접자본의 효율적 투자가 이루어 질 수 있을 것으로 기대된다. 국내의 고속철도 및 일반철도, 기존의 도시철도에서 적용한 설계기준 중 중요한 항목만 발췌하여 <표 1>에 정리하였다.
<표 1> 기존철도와 경량전철과의 설계기준비교 구 분
국 철
(현 경부선)
경부고속철도
도시철도
(서울지하철
8호선)
경량전철(AGT)
철재
고무
설계속도
150km/h
350km/h
80km/h
70km/h
70km/h
궤간
1,435mm
1,435mm
1,435mm
1,435mm
1,740mm
최소
곡선반경
400m
7,000m
250m
50m
40m
최급구배
12.5‰
25‰
35‰
48‰
58‰
설계표준
하중
LS-22
UIC 하중
Q-25
설계모형 개발중
설계모형 개발중
레일
50kg/m
(일부 60kg/m)
60kg/m
60kg/
50kg/m
-
침목
P.C 및 목침목
P.C
P.C
P.C 및 합성형
-
도상
두께 27cm
두께 35cm
콘크리트 또는 자갈25cm
SLAB궤도 또는자갈22cm
SLAB 궤도
또는자갈22cm
완화곡선
길이
캔트 1,600배
(3차 포물선)
캔트 3500배
(3차 포물선)
캔트 600배
(clothoid)
캔트 300배
(clothoid)
캔트 300배
(clothoid)
종곡선
반경
10,000m
25,000m
3,000m 이상
2,000m 이상
2,000m 이상
궤도중심
간격
4.2m
5.0m
4.0m
3.5m
3.7m
전력공급
방식
-
카테나리
카테나리
제3궤조
제3궤조
※ 경량전철(AGT) 시스템 기준은 기술개발 목표사양이므로 연구결과에 따라 다소 차이가 있을 수 있음.
경량전철 시스템은 전용의 토목구조물 즉 선로구축물을 갖추어야 하는데 경량전철 차량하중을 직접 받는 궤도 및 상부구조, 상부구조의 하중을 암반까지 전달하는 교각구조 및 기초구조를 포함하는 하부구조로 구성된다. 상부구조는 강재 및 콘크리트재료를 주로 이용하며, 강형의 경우는 강판형이나 강상자형, 콘크리트교는 PC형교, T형교, 중공 슬래브교, PC박스 및 단순RC교를 주로 사용하고 있다.
경량전철 시스템 도입 초기에는 콘크리트 계통의 상부구조가 많이 적용되었다. 일본의 요코하마시 Seaside 선에서는 총 연장 18.4km중 5.7km 구간은 강재를 나머지 구간은 PC교량으로 설계하였다. 하지만 최근에는 미관이 좋고 장경간에 유리한 강재 또는 합성형을 이용한 구조물이 증가하는 추세이다.
3. 국내 기술현황 및 향후 기술개발 방향
먼저 국내기술현황을 크게 설계기술과 시공기술로 나누어 살펴보면 설계기술은 하남시, 의정부시, 김해시, 부산시 등에서 경량전철을 기본설계까지는 시행한 경험이 있지만, 선로구축물분야(특히 궤도분야)의 기술은 아직 미비한 상태이며, 실시설계 및 정밀해석은 그 기술이 초보단계이다. 특히 경제적이고 합리적인 설계 및 시공을 위한 경량전철 전용 표준설계 시방서가 없어 설계회사마다 제각기 기준을 세워 설계를 수행한 실정이다.
반면에 시공기술에 있어서는 국외의 건설경험 및 경부고속철도 시공경험 등 일반적인 시공기술은 세계적인 수준이라 말할 수 있지만, 경량전철의 특수한 상황을 고려한 시공기술은 좀더 연구개발되어야 할 것이다.
구체적으로 도심구간에서의 미관을 고려하면서 교통장애를 최소로 할 수 있는 시공법, 장경간 및 급곡선부 교량의 기술, 도심구간의 효과적인 터널 시공법, 궤도분야 재료배합 및 시공법 등 아직도 많은 부분에서 기술개발이 필요한 것으로 생각된다. 이외에도 지반분야, 환경분야, 정거장분야, 유지보수 기술 등 일반적인 철도기술분야와 공동으로 기술개발을 해야할 부분도 상당히 많다.
선진 외국에서는 급변하는 경제·사회적 상황을 고려한 기술개발이 토목구조물의 개발방향에서도 반영되고 있다. 기능과 경제성 및 미관을 향상하는 구조물의 개발을 촉진하는 한편, 국가 중요 구조물로서 중장기적 안목으로 계획 및 유지관리면에서도 체계적으로 진행되고 있다. 이에 국내 경량전철 구조물을 주요 선진국 수준 이상으로 끌어올리기 위해서는 각 분야별로 <표 2>와 같은 기술개발이 진행되어야 할 것으로 전망된다.
분야
기술개발 과제
궤도분야
- 경량전철 궤도구조 및 구성품 기술개발 : 분기기 개발, 가이드레일 및 침목개발, 궤도 생력화, 장대레일 보수 관리 시스템, 궤도수명을 고려한 관리방법의 확립, 레일 체결부의 개량, 주행로 및 슬래브 궤도의 개발, 궤도 구조 설계법의 확립, 유도상 궤도의 최적화 기술 등
구조물
분야
- 경량전철 교량과 부대시설물의 설계 및 유지관리 기술개발 : 미관 및 간결화 기법을 적용한 교량해석 및 설계기술개발 등
- 경량전철 교량과 부대시설물의 제작 및 시공 기술개발 : 도심지적용 교량제작 및 시공기술개발(하부 및 기초구조 포함) 등
- 경량전철 정거장 기술개발 : 환승체계 관련기술, 역사 디자인 기술, 스크린도어(안전문) 관련 기술 등
- 도심구간의 효과적인 터널 시공법
- 경량전철 토목설계기준 및 표준시방서 정립
지반분야
- 지반평가 기술 : 지반정보 시스템 활용기술 등
- 구조물기초 기술 : 강화노반, 비탈면 보호 및 보강기술, 구조물 기초의 동적 지내력 평가기술, 기초설계 및 시공기술 등
- 지반진동 대응기술 : 지반진동 측정 및 해석기술, 지반진동 감소 및
차단기술 등
- 현장관측 및 계측기술 : 현장계측기법 및 계측기기 운영기술, 데이터 분석기술 등
환경 및
유지보수
분야
- 궤도 및 구조물의 소음·진동 저감 기술 : 소음원 규명기술, 소음예측
및 저감기술
- 유지보수 기술 : 선로구축물의 성능저감 방지기술, 선로구축물의 검측 및 DB구축, 성능평가 시스템 기술, 보수·보강시기 예측기법(Expert System) 기술
한편 경량전철에 대한 소음 및 진동에 대하여는 외국의 경우 별도의 규제기준을 제정하지 않고 철도와 도로의 기준을 준용하고 있으며, 일본의 경우를 보면 경량전철이 기존의 교통수단과 연계되도록 시스템을 이루고 있어 도로 또는 철도와 이웃하는 경우가 대부분이고 따라서 소음/진동의 규제도 이에 준하고 있는 상태이다. 이에 국내의 경우에도 현행 소음/진동 규제기준을 준용하는 것이 타당하다고 생각된다.
현재 전세계적으로 250여종의 경량전철시스템이 운행중에 있는데, 국내에서도 25개시에서 약650km의 경량철도를 설계 또는 계획중에 있어 각 지역의 여건 및 기술수준에 따라 적절한 시스템이 채택되어야 할 것이다. 다행이 금년(1999년)부터 4년간 한국철도기술연구원의 총괄주관으로 경량전철시스템 기술개발사업을 산 학 연 공동연구사업으로 착수하게 되어 사업완료 후에는 국내기반기술의 구축으로 경량전철 건설 및 운영이 가능하리라 판단된다.
경량전철은 차량시스템의 특성에 따라 궤도구조 및 선로구축물이 상이한데, 본문에서는 경량전철시스템 기술개발사업에서 목표사양으로 채택된 철제 및 고무차륜 AGT시스템, LIM AGT시스템을 위주로 선로구축물 분야의 일반적인 기술특징과 기존선로와의 기술적 차이점을 소개하며, 현재 운행중인 선진외국의 사례 및 기술발전 추세를 살펴보고 향후 국내기술의 개발방향을 제언하고자 한다.
2. 경량전철 선로의 특징 및 기존선로와의 기술적 차이점
경량전철은 기계, 전기, 전자, 토목, 신호, 통신 등 여러 분야의 최신기술로 이루어진 전용궤도를 이용하는 철도시스템으로, 기존의 중량전철과 비슷한 서비스를 제공하면서 초기 투자비의 부담이 적어 세계의 여러도시에서 운행되고 있다. 또한 완전무인 운전이 가능한 새로운 교통수단으로 운영요원의 절감, 소요에너지의 경감이 가능하며, 승객에 대한 서비스면에서도 정시성, 안전성, 저공해성의 신(新) 도시철도이다.
선로구축물분야에서 기존철도(고속철도, 국철, 도시철도)와 비교해서 경량전철의 장점은 다음과 같이 요약될 수 있다.
- 차량과 궤도가 소형·경량 : 하중이 상대적으로 작아 간결구조가 가능하며 경제적
- 전자동 무인 운전, 무인 역사 가능 : 유지관리비(인건비) 저렴
- 기존 지하철에 비해 짧은 역간 거리 : 접근성이 좋아 이용에 편리
- 작은 회전반경 및 등판구배 능력 우수 : 선형계획이 용이하여 지상으로 도심지 운행가능
- 건설비 및 유지관리비 저렴
- 저소음, 저진동, 무공해 시스템
- 도시경관과의 조화 우수
상기의 거시적 경량전철의 장점 외에도 구체적으로는 궤도분야에서 특이한 몇가지 차이점이 있다. 철제차륜형식의 AGT시스템은 기존차량에 비해 차량이 작고 경량이며 전력공급방식이 차이가 나지만 기존의 선로와 기술적인 큰 차이점은 없다.
하지만 고무바퀴시스템은 <그림 1> 에서와 같이 레일대신 주행로와 측면의 안내레일(案內軌條:Guide Way)이 있어 분기기 등 기술적으로 고려할 사항이 추가적으로 발생하며, LIM시스템의 궤도는 주로 철제바퀴AGT시스템과 유사한데 단지 구동에 필요한 리엑션플레이트(Reaction Plate 또는 Reaction Rail)를 <그림 2>에서와 같이 양쪽 레일사이에 설치하여야 한다.
이 플레이트 때문에 장대레일 종하중과 동시에 온도변화에 따라 플레이트의 거동이 구조물에 미치는 영향을 고려하여야 한다.
<그림 1> 고무바퀴 AGT시스템의 궤도단면(단선)
<그림 2> LIM시스템의 궤도단면(단선)
또한 경량전철은 시스템의 특성상 공항지역, 위락지역, 도심지역 및 주요시설에 10km∼20km정도의 연장으로 운행되고 있으며, 대부분 독립된 전용 고가구조물 위를 주행한다. 이 경량전철 고가교의 설계는 기존의 철도교 및 일반 도로교의 시방규정에 대한 적용가능성을 면밀히 검토되어야 하는데, 일본, 프랑스, 캐나다 등은 경량전철 전용 시방규정을 갖추고 있다.
미국의 경우, 도로교에 적용하는 AASHTO 시방규준과 철도교에 적용하는 American Railway Engineering Association(AREA) 시방규준을 적절히 준용하고 있는 실정이다. 국내에서도 이번의 경량전철시스템 기술개발에서 경량전철 전용 설계표준시방서를 작성할 계획이며, 차량 및 하중특성을 충분히 검토·고려한 각 시스템별 구조물 설계지침이 발간되어 경량전철 구조물의 표준화 및 규격화를 유도할 계획이며, 그 결과 사회간접자본의 효율적 투자가 이루어 질 수 있을 것으로 기대된다. 국내의 고속철도 및 일반철도, 기존의 도시철도에서 적용한 설계기준 중 중요한 항목만 발췌하여 <표 1>에 정리하였다.
<표 1> 기존철도와 경량전철과의 설계기준비교 구 분
국 철
(현 경부선)
경부고속철도
도시철도
(서울지하철
8호선)
경량전철(AGT)
철재
고무
설계속도
150km/h
350km/h
80km/h
70km/h
70km/h
궤간
1,435mm
1,435mm
1,435mm
1,435mm
1,740mm
최소
곡선반경
400m
7,000m
250m
50m
40m
최급구배
12.5‰
25‰
35‰
48‰
58‰
설계표준
하중
LS-22
UIC 하중
Q-25
설계모형 개발중
설계모형 개발중
레일
50kg/m
(일부 60kg/m)
60kg/m
60kg/
50kg/m
-
침목
P.C 및 목침목
P.C
P.C
P.C 및 합성형
-
도상
두께 27cm
두께 35cm
콘크리트 또는 자갈25cm
SLAB궤도 또는자갈22cm
SLAB 궤도
또는자갈22cm
완화곡선
길이
캔트 1,600배
(3차 포물선)
캔트 3500배
(3차 포물선)
캔트 600배
(clothoid)
캔트 300배
(clothoid)
캔트 300배
(clothoid)
종곡선
반경
10,000m
25,000m
3,000m 이상
2,000m 이상
2,000m 이상
궤도중심
간격
4.2m
5.0m
4.0m
3.5m
3.7m
전력공급
방식
-
카테나리
카테나리
제3궤조
제3궤조
※ 경량전철(AGT) 시스템 기준은 기술개발 목표사양이므로 연구결과에 따라 다소 차이가 있을 수 있음.
경량전철 시스템은 전용의 토목구조물 즉 선로구축물을 갖추어야 하는데 경량전철 차량하중을 직접 받는 궤도 및 상부구조, 상부구조의 하중을 암반까지 전달하는 교각구조 및 기초구조를 포함하는 하부구조로 구성된다. 상부구조는 강재 및 콘크리트재료를 주로 이용하며, 강형의 경우는 강판형이나 강상자형, 콘크리트교는 PC형교, T형교, 중공 슬래브교, PC박스 및 단순RC교를 주로 사용하고 있다.
경량전철 시스템 도입 초기에는 콘크리트 계통의 상부구조가 많이 적용되었다. 일본의 요코하마시 Seaside 선에서는 총 연장 18.4km중 5.7km 구간은 강재를 나머지 구간은 PC교량으로 설계하였다. 하지만 최근에는 미관이 좋고 장경간에 유리한 강재 또는 합성형을 이용한 구조물이 증가하는 추세이다.
3. 국내 기술현황 및 향후 기술개발 방향
먼저 국내기술현황을 크게 설계기술과 시공기술로 나누어 살펴보면 설계기술은 하남시, 의정부시, 김해시, 부산시 등에서 경량전철을 기본설계까지는 시행한 경험이 있지만, 선로구축물분야(특히 궤도분야)의 기술은 아직 미비한 상태이며, 실시설계 및 정밀해석은 그 기술이 초보단계이다. 특히 경제적이고 합리적인 설계 및 시공을 위한 경량전철 전용 표준설계 시방서가 없어 설계회사마다 제각기 기준을 세워 설계를 수행한 실정이다.
반면에 시공기술에 있어서는 국외의 건설경험 및 경부고속철도 시공경험 등 일반적인 시공기술은 세계적인 수준이라 말할 수 있지만, 경량전철의 특수한 상황을 고려한 시공기술은 좀더 연구개발되어야 할 것이다.
구체적으로 도심구간에서의 미관을 고려하면서 교통장애를 최소로 할 수 있는 시공법, 장경간 및 급곡선부 교량의 기술, 도심구간의 효과적인 터널 시공법, 궤도분야 재료배합 및 시공법 등 아직도 많은 부분에서 기술개발이 필요한 것으로 생각된다. 이외에도 지반분야, 환경분야, 정거장분야, 유지보수 기술 등 일반적인 철도기술분야와 공동으로 기술개발을 해야할 부분도 상당히 많다.
선진 외국에서는 급변하는 경제·사회적 상황을 고려한 기술개발이 토목구조물의 개발방향에서도 반영되고 있다. 기능과 경제성 및 미관을 향상하는 구조물의 개발을 촉진하는 한편, 국가 중요 구조물로서 중장기적 안목으로 계획 및 유지관리면에서도 체계적으로 진행되고 있다. 이에 국내 경량전철 구조물을 주요 선진국 수준 이상으로 끌어올리기 위해서는 각 분야별로 <표 2>와 같은 기술개발이 진행되어야 할 것으로 전망된다.
분야
기술개발 과제
궤도분야
- 경량전철 궤도구조 및 구성품 기술개발 : 분기기 개발, 가이드레일 및 침목개발, 궤도 생력화, 장대레일 보수 관리 시스템, 궤도수명을 고려한 관리방법의 확립, 레일 체결부의 개량, 주행로 및 슬래브 궤도의 개발, 궤도 구조 설계법의 확립, 유도상 궤도의 최적화 기술 등
구조물
분야
- 경량전철 교량과 부대시설물의 설계 및 유지관리 기술개발 : 미관 및 간결화 기법을 적용한 교량해석 및 설계기술개발 등
- 경량전철 교량과 부대시설물의 제작 및 시공 기술개발 : 도심지적용 교량제작 및 시공기술개발(하부 및 기초구조 포함) 등
- 경량전철 정거장 기술개발 : 환승체계 관련기술, 역사 디자인 기술, 스크린도어(안전문) 관련 기술 등
- 도심구간의 효과적인 터널 시공법
- 경량전철 토목설계기준 및 표준시방서 정립
지반분야
- 지반평가 기술 : 지반정보 시스템 활용기술 등
- 구조물기초 기술 : 강화노반, 비탈면 보호 및 보강기술, 구조물 기초의 동적 지내력 평가기술, 기초설계 및 시공기술 등
- 지반진동 대응기술 : 지반진동 측정 및 해석기술, 지반진동 감소 및
차단기술 등
- 현장관측 및 계측기술 : 현장계측기법 및 계측기기 운영기술, 데이터 분석기술 등
환경 및
유지보수
분야
- 궤도 및 구조물의 소음·진동 저감 기술 : 소음원 규명기술, 소음예측
및 저감기술
- 유지보수 기술 : 선로구축물의 성능저감 방지기술, 선로구축물의 검측 및 DB구축, 성능평가 시스템 기술, 보수·보강시기 예측기법(Expert System) 기술
한편 경량전철에 대한 소음 및 진동에 대하여는 외국의 경우 별도의 규제기준을 제정하지 않고 철도와 도로의 기준을 준용하고 있으며, 일본의 경우를 보면 경량전철이 기존의 교통수단과 연계되도록 시스템을 이루고 있어 도로 또는 철도와 이웃하는 경우가 대부분이고 따라서 소음/진동의 규제도 이에 준하고 있는 상태이다. 이에 국내의 경우에도 현행 소음/진동 규제기준을 준용하는 것이 타당하다고 생각된다.
