철도기술의 중요 요소는 주행 열차를 지지·안내하는 고정설비인 ‘궤도의 최적화’

철도의 여러 기술 중에서 중요한 요소의 하나는 주행하는 열차를 지지하고 안내하는 고정설비인 궤도를 최적화시키는 것이다. 궤도는 본래 경험적인 구조물로서 구성되어 왔으나 장대한 철도 연장과 속도향상의 필요성, 막대한 유지보수비의 상승 등으로 이에 대한 최적화가 이루어져 왔다. 하지만 그간 국내의 궤도기술은 경험을 앞세운 전문기술로서 너무 폐쇄적이고 독선적으로 되어 있어 제3자로부터 조언을 얻기 어렵게 하고, 공학 분야에서 최근 눈부시게 발전한 새로운 기술의 도입을 방해할지도 모른다는 비판이 있어왔던 것도 사실이다.
전문기술 분야로서 궤도기술에는 물론 고도화가 따르게 되며, 여기에 대하여는 다른 사람들이 알기 어렵게 되어 버리는 성질이 있다. 그러나 사회의 뛰어난 기술개발은 단순히 한두 사람의 우수한 연구자, 기술자의 능력만으로 되는 것은 아니며, 그 사회나 집단의 전반적인 기술 수준에 의존한다.

콘크리트궤도, 고속분기기 등 국내 철도선로기술의 변화, 발전에 관한 내용 반영

우리나라는 2004년 4월에 고속철도가 처음으로 개통된 후에 철도시스템이 교통수단의 중추적인 역할을 하고 있다. 앞으로도 21세기 국가철도망의 구축이 지속적으로 추진될 것이며, 향후에는 남북철도망의 구축과 동북아철도공동체가 이루어질 것으로 예측된다. 세계적으로는 최근 철도기술이 급속하게 발달되고 있으며, 국내의 철도건설도 급변하는 철도기술을 신속하게 적용하고 융통성과 창의성을 발휘하여 경제적이고 합리적으로 이루어지고 있다. 특히 ‘철도건설규칙’은 지난 2009년에 완전히 개정되면서 철도건설기준에 관하여 일반적인 사항만 규정되어 있고, 철도건설의 구체적인 세부기준은 국토교통부장관이 정하도록 하고 있다.
이에 따라 철도건설의 세부기준은 국토해양부(현 국토교통부) 고시인 ‘철도의 건설기준에 관한 규정’에서 정하고 있고, 이 책의 개정3판은 이와 관련된 사항을 반영하였다. 그리고 콘크리트궤도, 고속분기기 등 그간의 국내 철도선로기술의 변화와 발전에 관한 내용을 반영한 바 있다.
그러나 콘크리트궤도, 고속분기기 등 그간의 국내 철도선로기술의 변화와 발전에 관한 내용을 반영한 바 있는 이 책의 개정3판이 지난 2012년에 발행된 후 7년이 지나는 동안 국내외 철도기술이 발전되면서 국내 선로의 환경과 여건도 다소 변화되었다. 특히 ‘철도의 건설기준에 관한 규정’에서 정한 철도건설기준이 일부 바뀌었고, ‘선로정비지침’이 ‘선로유지관리지침’으로 바뀌게 되었다. 이에 따라 이러한 철도건설기준의 변경 내용 등을 이번 개정4판에 반영하였다.
이 책에는 또 일반철도 궤도틀림 보수의 속도대역별 기준 재정립, 콘크리트궤도 균열보수 방법 추가, 일반철도 레일연마시행 근거 마련 등이 이루어졌으므로 국내 선로기술의 변화와 세계의 철도기술 발전을 감안하여 일부의 내용도 추가하여 보완하였다.

철도기술 업무에 종사하는 실무자는 물론 ‘궤도역학’, ‘궤도재료’,
‘궤도설계’, ‘보선공학(선로관리)’ 등의 대학 교재로도 활용 가능

‘철도선로의 설계와 관리’및 ‘궤도역학’에 관한 내용을 포함하는 등 철도선로기술에 관한 종합적인 기술서적으로서 《개정4판 선로공학》은 철도기술 업무에 종사하는 실무자는 물론 ‘궤도역학’, ‘궤도재료’, ‘궤도설계’, ‘보선공학(선로관리)’ 등의 대학 교재로도 활용이 가능할 것으로 보인다.

1.1 선로의 의의

선로(線路, permanent, roadway)란 열차 또는 차량을 주행시키기 위한 통로(通路)의 총칭이며, 차량을 직접 지지·유도하는 궤도(軌道, track)와 궤도를 지지하는 노반(路盤, subgrade, road bed) 및 여기에 부속되는 설비나 구조물 등을 포함하는 지대(地帶)를 말하지만, 협의로는 궤도, 표층 노반, 선로 측구(側溝) 및 여러 가지 설비(設備)를 말한다. 그리고 철도(鐵道, railway, railroad)라고 하는 수송기관을 특징짓고 있는 최대의 요소는 열차가 이 선로라고 하는 고정된 통로에서만 운행된다고 하는 점이다.
항공기가 3차원 공간을, 선박과 자동차가 2차원 공간을 이동하는 것에 비하여 철도의 열차는 선로 상을 1차원적으로 이동할 뿐이다. 따라서, 열차의 운전에서는 방향의 조작이 전혀 불필요하지만 다른 수송기관과 같이 우회나 주행로의 변경을 간단하게 할 수 없다. 그렇지만, 이와 같은 운행 자유도의 제한은 거꾸로 열차제어(制御)나 운행관리를 용이하게 하고, 철도가 고속운전과 대량수송에 적당하다고 하는 특징을 형성하게 된다. 또한, 항공기나 선박이 기상 조건의 영향을 받기도 하고 자동차가 교통사고나 교통정체의 영향을 받기도 하는 것에 비하여, 철도는 선로라고 하는 전용의 통로를 확보하고 있기 때문에 시간적으로 정확하고 안전성이 높다.
설비 면에서 본 철도의 특징은 선로를 중심으로 한 고정설비의 건설비 및 유지관리비가 비교적 크고, 일단 건설되어 영업운전을 개시하면 그 후의 개량에는 막대한 경비를 필요로 하는 점이다. 선로를 구성하는 요소에는 표준 구조로서 도상(道床)자갈이 있으며, 이것이 열차하중으로 조금씩 틀림이 진행되는 것을 전제로 하고 있기 때문에 도상 다짐작업이 정상적으로 필요하게 된다. 근년에, 이 자갈궤도 대신에 콘크리트궤도, 포장궤도 등의 생력화(省力化) 궤도를 일부 선로에 이용하게 됨에 따라 유지 관리가 경감되고 있다.
선로는 수송, 운전, 보수 및 안전의 관점에서 수평, 직선인 것이 바람직하지만 지형, 건설비의 관계 때문에 곤란하다. 건설적인 견지에서는 운전에 지장이 없는 범위 내에서 될 수 있으면 지표면을 따라 가는 것이 좋지만, 건설후의 운영을 생각하면 급기울기(急勾配)나 급곡선(急曲線)의 존재는 바람직하지 않다. 이와 같이 상반되는 요구에 따라 선로 중에 기울기나 곡선이 생기는 것을 피할 수 없지만, 여기에는 소정의 제한을 둔다.
이 때문에 지형에 따라 땅깎기(切土) 또는 흙 쌓기(盛土)로 하고, 하천을 횡단하는 경우에는 교량(橋梁)을, 산맥을 횡단하는 장소에는 터널을, 또한 시가지를 통과할 때에는 고가교(高架橋) 등의 시설이 필요하게 된다.
철도는 일관(一貫) 수송이므로 모든 차량이 모든 선로를 운전할 수 있도록 적어도 궤간(軌間) 및 여러 가지 한계(限界), 선로의 강도(强度) 등을 통일할 필요가 있다.

- 본문 ‘제1장 선로 일반’ 중에서

 

개정4판 서문
머리말


제1장 선로 일반

1.1 선로의 의의
1.2 선로의 구조 / 1.2.1 선로의 건설기준 / 1.2.2 궤간 / 1.2.3 궤도 / 1.2.4 시공기면 폭 / 1.2.5 궤도중심 간격 / 1.2.6 노반

1.3 차량과 하중
1.3.1 차량 구조 / 1.3.2 윤축의 형상과 치수 / 1.3.3 하중

1.4 속도와 궤도구조
1.4.1 개설 / 1.4.2 입선관리 / 1.4.3 속도와 궤도구조 / 1.4.4 속도향상을 위한 과제

1.5 차량한계와 건축한계
1.5.1 차량한계 / 1.5.2 직선에서의 건축한계 / 1.5.3 곡선에서의 건축한계

1.6 곡선에서 차륜지름 차이에 따른 윤축의 안내
1.6.1 기본적인 고려 방법 / 1.6.2 이론 식

1.7 차륜-레일간의 인터페이스
1.7.1 차륜-레일의 안내 / 1.7.2 직선 궤도에서 윤축의 횡 운동 / 1.7.3 등가 답면 기울기 / 1.7.4 마모 차륜 답변


제2장 궤도구조의 재료

2.1 레일
2.1.1 레일의 역할과 종류 / 2.1.2 레일의 단면 / 2.1.3 레일의 길이 / 2.1.4 레일에 발생하는 응력 / 2.1.5 레일강의 성질 / 2.1.6 레일의 제조법 / 2.1.7 레일의 사용과 가공

2.2 레일 용접
2.2.1 레일의 용접과 장대레일 궤도의 실현 / 2.2.2 레일 용접의 종류와 방법 / 2.2.3 레일 용접부의 품질관리

2.3 이음매
2.3.1 이음매의 역할과 종류 / 2.3.2 보통 이음매 / 2.3.3 절연(絶緣) 이음매(insulated joint) / 2.3.4 접착절연(接着絶緣) 레일(glued insulated rail) / 2.3.5 신축(伸縮) 이음매(expansion joint, E. J.) / 2.3.6 이음매판의 부속품

2.4 침목
2.4.1 총설 / 2.4.2 목침목{木枕木, timber (or wooden) sleeper} / 2.4.3 PC침목 / 2.4.4 기타의 침목

2.5 레일 체결장치
2.5.1 총설 / 2.5.2 2중 탄성 체결장치와 그 구성재료 / 2.5.3 목침목용 레일 체결장치 / 2.5.4 PC침목 등의 레일 체결장치 / 2.5.5 철침목용 레일 체결장치 / 2.5.6 콘크리트궤도 등의 레일 체결장치 / 2.5.7 레일 체결장치의 보수와 그 수명 / 2.5.8 레일 체결장치의 설계

2.6 레일 부속품
2.6.1 안티 클리퍼(rail anchor, anti creeper) / 2.6.2 레일 버팀목(chock, wooden brace) / 2.6.3 교량침목 고정용 여러 재료

2.7 도상
2.7.1 도상의 역할과 단면형상 / 2.7.2 도상자갈의 종류 / 2.7.3 도상자갈의 규격 및 물리적 성질 / 2.7.4 도상자갈의 열화

2.8 노반
2.8.1 노반의 역할과 종류 / 2.8.2 노반 재료 / 2.8.3 노반 개량 / 2.8.4 강화노반 / 2.8.5 노반에 대한 기타사항

2.9 분기기
2.9.1 분기기의 종류와 구조 / 2.9.2 포인트의 구조 / 2.9.3 크로싱의 구조 / 2.9.4 가드의 구조 / 2.9.5 분기기의 통과속도 / 2.9.6 분기기의 배치와 전환장치 / 2.9.7 분기기의 설계와 부설 / 2.9.8 분기기의 보수


제3장 선형과 곡선통과속도

3.1 선형의 구성

3.2 곡선
3.2.1 곡선의 종류 / 3.2.2 곡선반경

3.3 슬랙
3.3.1 슬랙의 의의 / 3.3.2 슬랙을 붙이는 방법

3.4 캔트
3.4.1 캔트의 의의 / 3.4.2 캔트의 이론 / 3.4.3 최대캔트 및 캔트설정 / 3.4.4 캔트 부족량

3.5 완화곡선
3.5.1 완화곡선의 의의 / 3.5.2 완화곡선의 형상 / 3.5.3 완화곡선의 삽입

3.6 기울기와 종곡선
3.6.1 기울기(구배) / 3.6.2 종곡선{縱曲線, vertical (or levelling) curve}

3.7 곡선의 부설조건과 선형의 경합조건
3.7.1 차량진동의 감쇠를 고려한 부설 조건 / 3.7.2 각종 선형 등의 경합조건

3.8 곡선통과 속도
3.8.1 곡선통과 속도의 결정 요인 / 3.8.2 곡선통과 속도의 계산 / 3.8.3 진자차량의 곡선통과 속도 / 3.8.4 조타대차의 곡선통과 성능


제4장 차량과 궤도의 상호작용 및 궤도의 측정과 시험

4.1 철도 차량의 진동
4.1.1 진동의 종류 / 4.1.2 승차감 / 4.1.3 차량 주행 시뮬레이션 / 4.1.4 궤도의 동적 양상

4.2 차량 주행에 따른 궤도의 동적 가진
4.2.1 궤도에 생기는 진동과 충격 / 4.2.2 궤도의 동적 가진 모델 / 4.2.3 궤도틀림의 파장 특성 / 4.2.4 궤도변형의 전파(propagation of rail deformation)와 열차의 임계 속도 / 4.2.5 궤도의 동적 응답 특성 / 4.2.6 궤도틀림과 단파장 요철에 기인한 가진 / 4.2.7 차륜 플랫에 기인한 가진 / 4.2.8 레일 이음매에 기인한 가진 / 4.2.9 레일 이음매 처짐에 기인한 가진 / 4.2.10 레일의 오목(凹)부에 기인한 가진 / 4.2.11 궤도 동역학(track dynamics) 모델의 심도화 / 4.2.12 윤축 낙하에 따른 궤도의 충격 / 4.2.13 윤하중 변동과 레일요철

4.3 곡선통과 시의 횡압 및 궤도의 횡압한도
4.3.1 곡선통과 시 횡압의 발생원인과 저감대책 / 4.3.2 곡선통과 시의 윤하중·횡압의 정량화

4.4 탈선
4.4.1 탈선 현상 / 4.4.2 탈선의 종류 / 4.4.3 탈선계수(脫線係數, derailment coefficient) / 4.4.4 탈선계수 등의 안전 한도 / 4.4.5 차량동요에 따른 곡선통과 시의 횡압과 탈선계수의 추정 / 4.4.6 경합 탈선 / 4.4.7 탈선에 관한 유의 사항

4.5 지진 시 궤도의 변형
4.5.1 문제점 / 4.5.2 노반 변형에 기인한 궤도의 변형 / 4.5.3 자갈궤도의 안정 / 4.5.4 열차의 주행안전

4.6 궤도의 시험과 승인 및 연구개발
4.6.1 궤도의 시험과 승인 / 4.6.2 궤도에서의 연구개발 / 4.6.3 시험장치

4.7 윤축낙하를 이용한 지상진동 예측 시스템
4.7.1 예측의 의의 / 4.7.2 데이터의 획득 / 4.7.3 윤축낙하와 열차주행과의 차이 / 4.7.4 궤도 특성치 / 4.7.5 윤축낙하 시험 시스템 / 4.7.6 모형실험 / 4.7.7 궤도 스프링 감쇠계수와 궤도 스프링 계수의 관계


제5장 궤도역학 및 궤도구조(자갈궤도) 설계

5.1 궤도구조(자갈궤도) 설계의 기본적인 고려방법과 구성
5.1.1 자갈궤도 설계의 기본적인 고려방법 / 5.1.2 자갈궤도 설계법의 현상과 앞으로의 방향 / 5.1.3 최적(最適) 궤도구조

5.2 궤도역학 및 궤도구조 해석법
5.2.1 궤도에 작용하는 힘 / 5.2.2 윤하중으로 인한 궤도의 변형(track deformation) / 5.2.3 횡압으로 인한 궤도의 변형 / 5.2.4 침목의 변형 / 5.2.5 침목 하면 압력과 노반 압력 / 5.2.6 도상자갈부의 소성 변형 / 5.2.7 2중 탄성 레일체결장치의 해석

5.3 궤도구조의 설계에 이용하는 열차하중
5.3.1 상하방향 하중의 산정법 / 5.3.2 좌우방향 하중의 산정법 / 5.3.3 조사항목과 열차하중 조건의 조합

5.4 부재·궤광의 발생 응력에 관한 조사
5.4.1 부재·궤광의 발생 응력에 관한 조사의 기본적인 고려방법 / 5.4.2 레일 휨 응력에 관한 조사 / 5.4.3 PC침목의 균열에 관한 조사 / 5.4.4 노반강도에 관한 조사 / 5.4.5 레일 체결장치의 파손에 관한 조사 / 5.4.6 급격한 줄 틀림에 관한 조사

5.5 궤도틀림 진행에 관한 조사
5.5.1 궤도 상태의 열화·복원의 사이클 / 5.5.2 고저틀림 진행에 관한 조사 방법 / 5.5.3 줄 틀림 진행에 관한 조사 방법 / 5.5.4 궤도보수 작업량에 관한 연구의 예

5.6 속도와 수송 조건을 고려한 궤도구조의 결정 방법
5.6.1 종래의 궤도구조 기준의 고려방법과 새로운 설계법의 특징 / 5.6.2 새로운 설계법에 따른 계산 예(고저틀림 진행에 관한 조사) / 5.6.3 침목의 최적침하와 고속선로용 자갈궤도

5.7 장대레일의 이론과 설계
5.7.1 장대레일의 신축 이론 / 5.7.2 각종 장대레일 / 5.7.3 장대레일 부설 및 레일축력 측정법 / 5.7.4 궤도의 좌굴 안정성 해석 / 5.7.5 궤도 좌굴의 진보된 수학 모델 / 5.7.6 궤도의 좌굴 안정성에 관한 조사


제6장 콘크리트궤도 등 생력화 궤도

6.1 개론 및 인터페이스
6.1.1 생력화 궤도의 의의 / 6.1.2 콘크리트궤도의 개관 및 자갈궤도와의 비교 / 6.1.3 콘크리트궤도의 일반적인 요구조건 / 6.1.4 일반철도 터널구간의 콘크리트궤도 / 6.1.5 자갈궤도와 콘트리트궤도 접속구간의 관리

6.2 국내 적용 콘크리트궤도
6.2.1 국내 적용 콘크리트궤도의 개요 / 6.2.2 Rheda 2000 / 6.2.3 L.V.T 궤도 / 6.2.4 ALT 궤도 / 6.2.5 플로팅(floating) 슬래브 궤도 / 6.2.6 프리캐스트 슬래브궤도(PST) 및 기타

6.3 방진 궤도, 도상매트 및 일본의 기타 궤도 유형
6.3.1 유도상 탄성 침목 궤도 / 6.3.2 도상매트(ballast-mat) / 6.3.3 래더(Ladder) 궤도 / 6.3.4 슬래브 궤도 / 6.3.5 분기기 슬래브 / 6.3.6 영단형 방진 직결 궤도

6.4 유럽의 생력화 궤도
6.4.1 독일 레다(Rheda) 궤도 / 6.4.2 영국 PACT 궤도 / 6.4.3 프랑스 Stedef 궤도 / 6.4.4 기타 궤도

6.5 콘크리트궤도 시스템의 일반적인 검토 사항
6.5.1 연질 흙 위의 휨 강성 콘크리트궤도 / 6.5.2 콘크리트궤도의 탄성 / 6.5.3 콘크리트궤도 시스템의 요구조건 / 6.5.4 콘크리트궤도 시스템의 일반적인 경험 / 6.5.5 콘크리트궤도의 보수

6.6 콘크리트궤도의 구조계산
6.6.1 콘크리트궤도 구조의 기준 / 6.6.2 토공구간과 터널구간 콘크리트궤도의 구조계산 / 6.6.3 교량구간 콘크리트궤도의 구조계산


제7장 궤도 관리

7.1 궤도의 검측
7.1.1 궤도틀림의 검측 방법 / 7.1.2 궤도틀림의 검측 기구 / 7.1.3 EM-120 궤도 검측차 / 7.1.4 고속철도의 궤도 검측 시스템 / 7.1.5 궤도 검측의 기타 사항 및 기타 궤도검측차

7.2 궤도틀림의 관리
7.2.1 궤도틀림의 정의와 측정 / 7.2.2 궤도틀림의 정비 기준 / 7.2.3 궤도틀림의 파장 특성 / 7.2.4 궤도틀림 데이터의 처리 / 7.2.5 궤도관리 시스템과 보선 작업 / 7.2.6 궤도 선형의 품질

7.3 기계화 보선 작업
7.3.1 기계화 보선의 개요 / 7.3.2 궤도의 보수와 다짐 / 7.3.3 도상의 압밀과 안정 / 7.3.4 분기기의 보수 / 7.3.5 도상 클리닝과 도상 갱신 및 노반관리 / 7.3.6 밸러스트 레귤레이터 / 7.3.7 진공 굴착기 및 기타 장비 / 7.3.8 궤도 내 용접 / 7.3.9 기계화 보선의 결론

7.4 장대레일의 관리
7.4.1 장대레일의 정비 / 7.4.2 고속선로 보수작업의 조건과 안정화 / 7.4.3 레일 긴장기

7.5 레일의 관리
7.5.1 레일의 마모(磨耗) / 7.5.2 레일의 손상 / 7.5.3 레일의 탐상(探傷) / 7.5.4 레일의 연삭 / 7.5.5 레일의 굽혀 올림

7.6 레일 두부상면 요철의 관리 및 단파장 궤도틀림의 관리
7.6.1 레일의 검측 / 7.6.2 레일의 요철 / 7.6.3 레일 요철과 전동음 / 7.6.4 축상 상하가속도를 이용한 윤하중 변동의 파악 / 7.6.5 축상 좌우가속도에 따른 저대 횡압의 검출 / 7.6.6 레일의 파상 마모

7.7 열차동요 관리
7.7.1 궤도틀림과 열차동요 / 7.7.2 열차동요 관리

7.8 유간 관리
7.8.1 이음매 유간(遊間, joint gap) / 7.8.2 유간 정정과 복진


제8장 선로 보안설비 및 운전

8.1 선로(線路) 보안설비(保安設備, safety installation)
8.1.1 가드 레일류(guard rail 類) / 8.1.2 차막이와 차륜 막이 / 8.1.3 안전 측선, 탈선포인트, 서행 개소 등

8.2 건널목 설비
8.2.1 건널목의 종류 / 8.2.2 건널목의 설치 기준 / 8.2.3 건널목의 구조 / 8.2.4 건널목 보안장치(保安裝置, safety device) / 8.2.5 건널목 안전 대책

8.3 신호보안 장치
8.3.1 철도신호와 신호보안 장치 / 8.3.2 궤도회로

8.4 운전
8.4.1 열차 저항 / 8.4.2 가속력 곡선 / 8.4.3 균형속도 및 견인 정수와 환산 량수 / 8.4.4 거리기준 운전선도 / 8.4.5 선로용량


제9장 소음과 진동

9.1 측정의 계획
9.2 소음·진동의 기초 지식과 측정·평가 / 9.2.1 소음의 기초 지식과 측정·평가 / 9.2.2 진동의 기초 지식과 측정·평가

9.3 철도 소음·진동의 실태와 특징
9.3.1 소음·진동 경감대책을 위한 현상의 파악 / 9.3.2 철도 소음의 실태와 특징 / 9.3.3 철도 진동의 실태와 특징


참고문헌
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종래의 단위와 SI 단위의 비교