고속철 터널 폭발 소음 80% 이상 저감 기술 선보여

고속철도 터널 폭발음 80% 이상 줄인다

   고속철도 터널의 공기압축에 의한 폭발음을 획기적으로 줄일 수 있는 기술이 선보여 눈길을 끌고 있다. 특히, 고속철도 터널 외부 폭발음을 80% 이상 줄일 수 있는 이 기술은 세계 최고의 성능을 자랑한다.

실제로, 일본, 독일, 중국 등에서 개발한 터널 후드 구조체의 터널 폭발음 저감 성능보다 약 30% 이상 우수하다.

또한, 철도선진국 대비 터널 단면적도 25% 줄일 수 있어 획기적 기술로 받아들여지고 있다.

독일 일본 중국 등 선진국 대비 저감 성능 30% 이상 ‘우수’ 세계 최고 자랑

상어 아가미서 ‘힌트’ 압력구배 저감 원리 ‘터널 폭발음 저감 후드 기술’ 개발

후드 길이 짧아져 건설비 40% 줄여 ··· 내년 춘천~속초 고속화철도 설계 반영

뉴스1

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고속열차가 터널에 고속으로 진입할 때 생성된 압력파는 터널의 끝을 향해 음속으로 전파된다. 이 압력파의 일부분은 충격성 소음·진동 형태로 터널 출구로부터 외부로 방사되는데 이를 전문용어로 미기압파(micro-pressure wave, sonic boom)라고 부른다.

이렇게 발생한 미기압파는 심한 경우에 터널 근처에 위치한 민가에 폭발음의 환경소음과 함께 심한 저주파 진동을 전달한다.

특히, 최근 건설하는 철도터널의 경우 건설비 절감 등을 위해 터널단면을 축소하는 추세가 이어지면서 미기압파(폭발음과 저주파 진동)로 인한 민원 발생 우려가 어느 때보다 높아지고 있다.

실제로 현재 설계 중인 시속 200km 급과 250km 급 신규철도 대부분은 최소 단면적 터널로 설계되고 있어 향후 미기압파에 따른 민원급증이 예상되고 있다.

미기압파(micro-pressure wave, sonic boom) 메커니즘 conforg.fr

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이 같은 문제 해결을 위해 많은 나라들에서는 터널 단면적 확장, 터널 입구에 압력구배 저감 후드 설치, 고속열차의 전두부를 길게 설계하는 방법 등을 적용하고 있다.

하지만, 터널 단면적을 크게 할 경우 철도건설 비용이 상승하고, 고속열차의 전두부를 길게 하면 공력저항이 증가해 연간 운영비가 높아지는 단점이 있다.

현재 이 같은 단점을 보완하기 위해 설치비가 저렴한 공기역학 구조물인 ‘압력구배 저감 후드’를 터널 입구에 설치하는 방법이 대안으로 적용되고 있지만, 성능에 한계가 있는 것으로 알려지고 있다.

운행속도 200km/h 이상의 고속철도에 적용하는 터널 미기압파 저감 후드 구조체는 시공비가 저렴하고, 무엇보다 최근 추세인 최적의 최소 터널단면적에 적용할 수 있어 최선의 터널 건설비 절감기술로 평가받고 있다.

하지만, 터널 준공 후 공용 중인 철도터널에 후드를 설치할 경우 5~6배에 달하는 공사비가 추가적으로 소요되고, 기존 철도 시설물과의 간섭문제 등이 발생할 가능성이 높아 설계단계에서부터 미기압파 문제 해결을 위한 접근이 이뤄져야 한다는 의견이 대두되고 있다.

특히, 터널 출구에서 방사되는 미기압파는 대부분 저주파 특성을 갖는 소닉 붐(sonic boom)으로 선로변의 방음벽 시설로 저감시키거나 막을 수 없다. 저주파 폭발음은 진폭과 파장이 길어 방음벽을 타고 넘어간다.

한편, 국내에서는 소단면 터널에서 발생하는 미기압파 현상에 대한 현장데이터가 전혀 없었고, 미기압파 저감 후드 성능에 대한 국내 현장시험 데이터도 전무한 실정이었다.

이 같은 미기압파 발생에 대한 변수 예측을 위해서는 실제 운행 중인 노선을 대상으로 수많은 현장실측을 통해 데이터를 축적하고, 공력상사 축척모델 주행시험과 다양한 분석을 통해 발생 경향과 변수에 따르는 종속인자 파악이 매우 중요하다.

이에 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원의 철도기술연구사업으로 수행된 이 연구에서는 최근 콘크리트 궤도 적용, 터널 단면적 축소, 열차 고속화 추세로 인해 발생하는 터널 미기압파에 효과적으로 대처할 수 있는 터널 미기압파 저감 후드 기술 개발과 허용기준 마련을 위한 연구가 진행됐다.

연구내용

‘미기압파 허용기준 마련’ 부문에서는 국내외 허용기준을 검토하는 한편, 기존·신규터널 미기압파 발생현황 조사와 DB 구축, 국내외 현장시험 데이터 분석 등의 연구가 진행됐다.

또한, 국내 고속열차의 차량 특성과 터널 형상, 터널 주변 지형환경과 기후조건에 대한 미기압파 민감도 분석, 터널 미기압파 허용기준(안) 마련, 설계지침(KR코드) 반영 등의 연구도 병행됐다.

‘미기압파 저감 후드 개발’ 부문에서는 열차속도와 터널 단면적, 터널 연장 등 주요 인자를 고려한 조건별 최적 후드 표준사양 개발 연구와 함께 축소모델 주행시험과 3차원 CFD 해석을 통한 후드 설계, 터널 공용 중 설치 가능한 시공법 개발 연구가 이뤄졌다.

이후 대표적 타입의 후드 구조체에 대해 풀-스케일 시작품을 제작하고, 현장 테스트-베드 시험시공 후 모니터링을 통한 성능검증을 진행했다.

성능검증을 기반으로 후드 구조체를 제작하고, 운영 매뉴얼 개발하는 한편, 열차와 터널 제원 등 주요 인자를 고려한 터널 미기압파 예측 소프트웨어 개발, 경제성 분석 등의 연구가 이뤄졌다.

이 같은 연구를 통해 선보인 ‘터널 폭발음 저감 후드’는 상어 입안과 아가미의 3차원 구조변화로 인한 압력구배 저감 원리를 응용한 기술로, 특히, 후드의 길이가 짧아져 후드 건설비를 약 40% 절감할 수 있다.

현재 이 기술은 내년에 완공되는 시속 250km급의 중부내륙철도와 춘천~속초 고속화철도 설계 등에 기술이전을 통해 기술이 반영되고 있다.

기대효과

폭발음으로 인한 터널 입·출구 주변 민가의 소음·진동 관련 민원 저감에 기여하는 한편, 터널 진입 시 감속이 없어지면서 열차 평균속도 상승, 소요시간 단축으로 인한 고객 만족도 향상 효과를 거둘 것으로 기대를 모으고 있다.

특히, 세계 최고 수준인 일본 신칸센 미기압파 저감 후드보다 미기압파 저감 성능이 34% 더 뛰어나고, 시공성과 적용성이 우수한 한국형 미기압파 저감 후드의 원천기술 상용화에도 기여할 전망이다.

인 / 터 / 뷰

미국 등 4개국에 국제특허 등록 완료

현장 검증시험까지 마쳐 상용화 ‘눈앞’

김동현 수석연구원

한국철도기술연구원 김동현 수석연구원은 “현재 건설 중이거나 설계 중인 국내 시속 250km급 고속철도들은 세계에서 가장 작은 터널 단면적으로 설계가 이뤄지고 있다”며, “이 같은 터널 단면적 축소는 터널의 직접공사비와 비례 관계를 갖는 만큼 시속 250km급 신선에서 단선터널 직접공사비는 1m당 약 1천만 원으로, 공사비 절감효과는 매우 크다”고 말했다.

이어 “따라서 신규 고속철도 설계 시 전체 건설비 절감을 위해 터널 단면적 최소화 설계는 지속적으로 이뤄질 전망”이라며, “하지만, 고속철도 운행 중 터널 단면적 축소에 따른 터널 출구에서의 폭발음 발생 문제는 선결돼야 한다”고 강조했다.

실제로 고속열차가 터널 진입할 경우 터널 내부에서 압축파가 발생·전파돼 터널 출구에서 폭발음으로 방사된다.

저주파 특징을 갖는 이 폭발음은 선로변 방음벽을 넘어 2~3km 거리까지 공기 중으로 전파되는 것으로 알려져 있다.

김 박사는 “이 같은 저주파 진동과 충격음은 민가나 축사 등에 큰 피해를 줄 수 있다”며, “이에 이 연구에서는 상어가 고속으로 헤엄칠 때 입으로 유입되는 바닷물의 압력을 감소시키기 위해 양쪽으로 아가미를 벌리는 모습에서 아이디어를 얻어 ‘터널 폭발음 저감 후드’ 기술을 개발했다”고 소개했다.

이어 “현재 이 기술은 미국, 일본, 독일, 중국 등 4개국 국제특허 등록을 완료한 독자기술”이라며, “특히, 터널 폭발음 저감 성능이 약 84%로 일본, 독일, 중국 등에서 개발한 터널 후드 구조체의 터널 폭발음 저감 성능 대비 약 30% 이상 우수한 세계 최고 성능의 기술”이라고 밝혔다.

특히, 이 기술은 오송종합시험선 제5터널 입구에 설치해 현장 검증시험까지 마쳤으며, 상용화에 한 발 더 다가서며 이목을 집중시키고 있다.

공기역학적 메카니즘 규명 성공 ‘큰 보람’

김 박사는 “상사법칙에 따라 축소 모델을 제작하고, 공기역학 주행시험을 거쳐 최적으로 설계한 후드 구조체를 실물 스케일로 제작해 오송종합시험선에 설치하고, 현장 검증시험을 성공적으로 수행했다”며, “또한, 공기역학적 메카니즘 규명을 위해 터널 내외부에 다양한 센서를 설치하고, 고속열차 운행 중에 발생하는 많은 물리량을 실시간으로 계측하는 데 성공해 보람을 느낀다”고 말했다.

이 같은 계측 데이터를 기반으로 최근 KTL로부터 폭발음 저감 성능에 대한 공인시험성적서를 교부 받았다.

끝으로 김 박사는 “얼마 전 독자기술로 개발한 축소형 튜브 공력시험장치에서 하이퍼튜브 속도시험을 진행해 세계 최초로 진공에 가까운 0.001 기압 수준에서 시속 1,019km의 속도를 달성했다”며, “이를 기반으로 올해에는 진공에 가까운 0.001 기압 수준에서 시속 1,200km의 음속을 달성하기 위해 노력을 기울이겠다”고 밝혔다.

오성덕 기자 건설기술

http://www.ctman.kr

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