1. 서 론
2. 대상 구간 및 기존 철도 노반 설계 현황
2.1 대상 구간 개요
2.2 기존 철도노반의 설계 형상
3. 대상 구간 시추조사 및 결과
3.1 시추조사 방법
3.2 시추 조사 결과
3.3 설계지반정수 산정결과
4. 기존 노반 설계 및 현장 시추조사 비교 분석
4.1 기존 노반 설계(1967) 및 현장 시추조사(2025) 지층 비교
4.2 수치해석을 통한 안전율 비교·분석
5. 결 론
1. 서 론
철도노반은 열차 하중을 지반으로 안전하게 전달하는 핵심 구조물로서, 장기간에 걸쳐 반복하중과 환경적 요인의 영향을 받는다. 특히 산악지역에 위치한 철도노반은 풍화, 지하수위 변화, 붕적층의 재배열 등으로 인해 시간 경과에 따른 지반 특성 변화가 발생할 가능성이 크다. Min & Yu(2022)는 시간변화에 따른 사면 안정성에 대해 연구를 진행하였으며, Choi & Jung(2018)은 고속철도 콘크리트 궤도상 토공노반의 장기거동 특성을 연구를 통해 표준성토노반에 비해 접속부 노반이 합수비 변화폭이 크기 때문에 함수비 변화로 인한 침하발생이 상대적으로 크게 발생할 수 있다는 결론을 도출하였다. 또한 1960년대에 건설된 노후 노반은 종종 불량한 다짐상태의 점토질 성토재를 포함하고 있는 경우가 있으며, 이러한 지반은 강우 시 수분 함량이 증가함에 따라 점착력이 급격히 저하되는 특성을 보일 수 있다. 이렇듯 시간의 변화로 노반의 안정성 저하 및 유지관리 비용 증가로 이어질 수 있으므로, 정기적인 지반조사와 체계적인 안정성 평가가 요구된다.
본 연구의 목적은 시추조사를 통해 획득된 지반 정보를 활용하여 철도노반의 시간적 변화를 분석하고, 수치해석을 통해 안정성을 비교·평가하는 데 있다. 연구 범위는 (1) 기존 철도노반의 초기 형상 및 지반조건 정리, (2) 최근 시추조사 결과에 따른 지층 구조 및 지반정수 분석, (3) 지반조건 변화를 반영한 수치해석 및 안정성 평가로 구성된다.
2. 대상 구간 및 기존 철도 노반 설계 현황
2.1 대상 구간 개요
대상 구간은 정선군에 위치하고 있으며, 해당 터널은 1967년에 준공하였다. 1960년대의 철도 건설 기준은 현대의 고속철도나 일반철도 설계 기준(KR Code)과 비교할 때 현저히 완화된 기준을 적용받았다. 당시에는 대형 토공 장비의 부족과 공기 단축의 압박으로 인해 성토 재료의 품질 관리나 다짐 확보가 엄격하게 이루어지기 어려웠으며, 특히 원지반의 연약토 제거나 배수층 확보와 같은 기초적인 지반 개량 절차가 생략되는 경우가 빈번하였다. 이러한 역사적 배경은 현재 운영 중인 노후 철도 노반 내부에 불균질한 지층 구조와 구조적 취약점을 내포하게 만드는 원인이 되었다.
2.2 기존 철도노반의 설계 형상
대상 철도는 1967년에 준공된 것으로 준공당시의 도면 및 지반보고서가 존재하지 않는 실정이다. 따라서 최신 설계 및 개정이 아닌 이전 철도에 보편적으로 사용되었던 국유철도건설규칙(Korean Law Information Center(1977))을 참조하였으며, 대상 노반 기준은 2급선으로 속도 120 km/h를 기준으로 하는 철도 노반으로 선정하였다. 열차하중에 의하여 발생되는 제반사항들을 무시할 수 있는 범위는 지반조건 및 지표면에 작용하는 하중의 크기에 따라 다르지만 일반적으로 원지반 흙쌓기높이는 열차하중의 영향범위가 노반 표면으로부터 4 m 정도이므로 상부 노상높이는 1.5 m, 하부 노상높이는 2.5 m로 고정하였고, 원지반의 경우 폭 방향은 20 m, 깊이는 5 m로 산정하였다. 노반폭은 2급선 단선 기준인 및 현장 실측을 기준으로 5.0 m를 적용하였다. 노반재료는 자갈 노반으로 두께를 50 cm로 적용하였다(Kim, 2002).
3. 대상 구간 시추조사 및 결과
3.1 시추조사 방법
표시추조사 시 굴진은 회전수세식(Rotary Wash Type) 유압 시추기를 사용하여 NX 규격으로 실시하였으며, 시추조사 심도는 기초 지지력을 고려하여 기반암 2 m 이상 확인을 원칙으로 하였다. 굴진 중 시추공의 붕괴를 방지하기 위해 붕괴가 없는 견고한 지층까지 케이싱을 설치하였으며, 굴진작업과 병행하여 매 1.0 m 간격 또는 지층이 변할 경우 표준관입시험(Korean Standards Service Network, 2017)을 실시하였다. Split Spoon Sampler에 의해 채취된 시료는 육안관찰 후 시료병에 넣어 보관·운반하였으며, 암반이 출현한 경우에는 D-3 Core Barrel 및 Diamond Bit를 사용하여 암석의 코아회수율을 향상시켰다. 현장조사를 통한 지층 규명 시 토사층 구간에서는 Slime의 상태, 순환수의 색조, 표준관입시험에 의해 채취된 시료 및 N값을 근거로 하여 지층분포 상태를 확인하였고, 암반층에서는 시추 시의 굴진속도와 코아회수율(TCR), 암질지수(RQD), 풍화상태, 강도, 파쇄 정도에 따라 연암 및 경암으로 분류하여 지층을 구분하였다. 시추조사 결과는 시추주상도에 심도, 지층명, 색상, 토질 및 암질상태 등을 상세히 기록하였으며, 채취된 토질시료와 암석코아는 시료상자에 순서에 따라 정리·보관하였다.
3.2 시추 조사 결과
조사지역 일원의 지질은 캠브리아기의 풍촌석회암층과 화절층, 오르도비스기의 동점규암, 두무동층, 막동석회암층 등이 구성암석으로 분포하고 있으며, 이를 제 4기에 속하는 신기하성층이 부정합으로 피복하고 있다. 조사지역은 회색, 담회색, 암회색의 석회암과 돌로마이트를 구성암석으로 하는 풍촌석회암층이 기반암으로 분포하고 있으며, 크고 작은 석회동굴이 발달하는 카르스트 지형을 형성하고 있다. 조사대상 부지의 대표적인 지반특성을 파악할 수 있도록 2공의 시추조사 위치를 계획한 후, 장비 진입조건 등 제반 현장여건을 고려하여 최종적으로 결정하였다. 아래의 Fig. 4와 같이 조사를 실시하였으며, 그 결과는 Fig. 5 및 Table 1과 같다.
Table 1.
Results of boring test
3.3 설계지반정수 산정결과
일반적으로 설계에 필요한 지반정수는 단위중량, 점착력, 내부마찰각, 변형계수, 포아송비 등이 있으며, 본 과업에서는 지층분포 특성에 따라 매립층, 붕적층, 연암 및 경암으로 구분하여 산정하였다. 또한, 지반의 공학적 특성을 종합적으로 판단하여 합리적인 설계가 될 수 있도록 각종 문헌자료와 기존 설계사례를 검토하고 경험식을 활용하여 설계정수를 산정하였다. 경험식 분석은 Table 2, Table 3과 같이 제안식을 사용하였으며, 최종 산정 결과는 Table 4와 같다.
Table 2.
Strength parameter equation
| Cohesion (kPa) | Friction angle (°) | ||
| Dunham | |||
| Meyerhof | |||
| Dunham | Ohsaki | ||
| Terzaghi-Peck | Peck | ||
| Ohsaki | |||
Table 3.
Deformation modulus (MPa) equation
Table 4.
Calculation of design ground parameters
4. 기존 노반 설계 및 현장 시추조사 비교 분석
4.1 기존 노반 설계(1967) 및 현장 시추조사(2025) 지층 비교
기존 노반 설계와 현장 시추조사의 결과를 바탕으로 지층을 비교·분석하였다. 기존 노반 형상의 경우 현장상황을 분석한 결과 계곡부 평지로 원지반은 하천 범람에 의한 충적토 혹은 산지에서 유래한 붕적토 위에 농경지가 형성되어 있다. 성토 과정의 경우 과거 1960년대 당시에는 성토재를 원거리에서 운반해오는 것이 경제적으로나 시간적으로 불가능했기 때문에, 터널 굴착이나 절취 구간에서 발생한 버럭이나 현장 인근의 표토를 성토재로 이용하는 경우가 일반적이었다. 또한, 진동 롤러와 같은 대형 다짐 장비가 부족하여 인력이나 소형 장비에 의존한 다짐이 주를 이루었으며, 이는 성토체 내부에 높은 공극률과 불균질한 밀도 분포를 초래하는 원인이 되었다. 이러한 초기 다짐 불량은 장기적인 잔류 침하와 도상 자갈의 침하를 유발하는 근본적인 요인으로 작용한다.
이러한 성토 과정 및 다짐 상태를 예상하고 시추조사를 통해 지난 50여 년간 노반의 변화를 추정하였다. 총 3단계로 1단계는 초기 압밀 및 안정화 (0~5년) 성토체 자중과 열차 하중에 의해 1차 압밀 침하가 발생하였을 것이며, 이 과정에서 궤도의 침하가 빈번하게 발생하여 잦은 보수작업이 수행되었을 것이다. 2단계는 장기적인 소성 변화 및 세립화 과정으로 (5~40년) 반복적인 열차 진동 하중으로 인해 도상 자갈과 노반토 입자를 파쇄시켜 세립분이 생성되었을 것이고 이 세립분은 강우와 함께 하부로 이동하여 공극을 메우거나 반대로 실트 입자가 상부로 펑핑되어 도상을 오염시키는 현상이 발생하였을 가능성이 있다. 마지막 3단계에서는 현재 상태 및 노후화 단계(40년~현재)로 오랜 기간의 하중재하로 인해 어느 정도 압밀되었으나 유기질의 분해와 불규칙한 다짐 상태로 인해 여전히 N값 3~8 수준으로 낮은 강도를 유지하고 있다. 특히 기후 변화로 인한 집중 호우 빈도 증가는 노반 내부의 수분 함량을 주기적으로 변화시킨다. Table 5는 기존 노반의 설계 및 현장 시추조사 지층을 비교한 결과이다.
Table 5.
Comparison of Roadbed design (1967) and Field boring test (2025)
4.2 수치해석을 통한 안전율 비교·분석
4.2.1 해석개요 및 방법
수치해석에 사용되는 프로그램으로는 slope/w로 한계평형 해석법(Limit Equilibrium Method)를 기반으로 해석을 수행한다. 한계평형 해석법이란 근본 원리상 사면안정해석 뿐만 아니라 토압, 지지력 등과 같은 지반공학적 문제를 해결하는데 기초를 이루는 방법으로 대상 지반을 하나의 토체로 간주하여 임의의 파괴면에 대한 힘 또는 모멘트의 평형조건을 고려하는 것이다(GeoStudio, 2022). 해석에 사용되는 기본 물성의 경우 기존 노반 설계는 Table 2의 문헌자료를 바탕으로 해석을 실시하였고 시추조사를 통한 지반의 해석은 Table 3의 설계지반 정수를 바탕으로 해석을 수행하였다. 또한 상부 노반 압력의 경우 Fig. 6과 같이 LS-22의 하중이 레일, 침목, 도상 발라스트를 통해 노반에 재하되는 것으로 하였으며, 해석에 사용되는 궤도 조건의 경우 사용침목은 PC침목(90년형)으로 280 mm × 200 mm × 2,400 mm를 사용하였으며, 설계속도(V)는 120 km/h, 침목간격은 62.5 cm를 사용하였다. 또한 궤도 구조별로 속도의 함수로서 나타낸 노반압력 중 장대레일로 가정하여 노반 압력은 Eq. (1), Eq. (2), Eq. (3), Eq. (4)로 산정하였다.
4.2.2 해석결과
해석 결과 기존 노반 지반 정수를 사용했을 경우 안전율은 2.344를 나타내었고, 시추조사 노반 지반 정수를 사용할 시 0.409를 나타내었다. 이번 해석을 통해 가장 심각한 문제는 1960년대 건설된 철도 노반 하부에 제거되지 않는 농경지(전답토 및 붕적토)가 광범위하게 잔존할 경우이다. 이 층은 자갈과 함께 묻혀 있어 일상적인 궤도 점검이나 육안 검사로는 발견되기 어려우며, N값은 7~9 수준의 극히 낮은 강도는 언제든 대규모 붕괴를 유발할 수 있는 문제점을 가지고 있다. 또한 점토와 실트를 다량 함유하고 있어 수분에 매우 민감하여 평상 시에는 상부 하중에 의해 다져진 상태로 버티지만, 강우 시 물이 침투하면 급격히 강도를 상실하고 유동화될 위험성을 가지고 있다. 이와 같은 결과는 기존 지층 구조와 현저한 차이로 인한 것과 시간적 열화의 정량화, 시추조사를 통한 점착력 소실 및 유동화 현상 때문인 것으로 파악된다.
Table 6.
Design ground parameters result (Roadbed design, 1967)
Table 7.
Design ground parameters result (Field boring test, 2025)
5. 결 론
본 논문은 1967년 준공된 정선선 인근 철도 노반에 대한 시추조사 결과를 바탕으로 노반의 지층구성과 시간의존적 변화 특성을 분석하고 수치해석을 통해 안정성을 평가하였다.
(1) 1960년대 건설 당시의 설계 개념과 2025년 수행된 시추조사 결과를 비교한 결과, 실제 지반은 설계 시 가정된 지층 구조와 현저한 차이를 보였다. 이는 장기간에 걸친 풍화, 침식, 반복 열차 하중 및 배수환경 변화에 따라 지반이 재배열된 결과로 판단되며, 노후 철도노반의 경우 초기 설계조건만으로 현재의 안정성을 판단하는 데 한계가 있음을 보여준다.
(2) 설계상으로는 4.5 m 심도에서 연암이 출현하는 것으로 가정하였으나, 실제 시추 결과 매립층과 붕적층이 최대 11.7 m까지 깊게 분포하는 것으로 나타났다. 특히 하부에는 과거 농경지로 추정되는 연약한 점토 및 실트 혼합층이 제거되지 않고 잔존하고 있어, 장기적인 침하 및 안정성 저하 가능성이 큰 것으로 확인되었다.
(3) 노반의 변화 과정은 초기 압밀 및 안정화, 장기적 소성변화 및 세립화, 노후화 단계의 3단계로 구분하여 해석할 수 있었으며, 50여 년간 반복된 열차 하중과 진동은 도상 자갈의 마모, 성토체 내부 세립화, 불균질한 다짐 상태를 유발한 것으로 판단된다. 또한 일부 구간에서는 지반강도(N값)가 7~9 수준으로 낮게 확인되어, 함수상태 변화에 민감한 취약 지반이 존재함을 확인할 수 있었다.
(4) 한계평형해석 결과, 기존 설계지반정수를 적용했을 때 건기 안전율은 2.344로 비교적 안정한 것으로 나타났으나, 시추조사 기반의 실제 물성을 적용한 경우에는 건기 0.409, 우기 조건에서는 0.123까지 저하되는 것으로 나타났다. 이는 실제 지반조건과 수분조건을 반영할 경우 노반 안정성이 크게 저하될 수 있음을 시사한다. 다만 우기 시 안전율 0.123은 포화에 가까운 불리한 조건을 가정한 보수적 해석 결과로서, 실제 현장 상태를 직접적으로 대표하는 절대값이라기보다는 강우 시 안정성 저하 가능성을 보여주는 지표값으로 해석할 필요가 있다.
(5) 본 조사를 통해 과거 대형 장비 부족과 완화된 기준에 의해 건설된 노후 철도노반은 잠재적인 구조적 결함을 내포하고 있음을 확인할 수 있었다.
(6) 그러나 본 연구는 제한된 수의 시추조사 결과를 바탕으로 대표 단면을 구성하여 2차원 한계평형해석을 수행한 것으로, 실제 현장의 3차원 지형효과, 강우의 시간의존적 침투 거동, 지하수위의 계절 변화, 열차 반복하중에 따른 동적 영향, 배수상태 변화 등을 충분히 반영하지 못한 한계가 있다. 또한 설계지반정수의 일부는 문헌자료와 경험식을 바탕으로 산정되었으므로, 현장 전 구간의 불균질성을 완전히 대표한다고 보기에는 제한이 있다. 따라서 본 연구 결과를 실무에 직접 적용할 경우에는 단일 안전율 값만으로 보강 여부를 결정하기보다는, 추가 시추조사, 현장 계측, 배수상태 점검 및 단계별 안정성 검토를 병행할 필요가 있다.
(7) 향후 연구에서는 대상 구간의 시추조사 수량 확대, 반복 열차하중을 반영한 장기거동 평가, 민감도 분석 및 실측 계측자료와의 비교 검증이 수행될 필요가 있다. 아울러 실무 적용성을 높이기 위해서는 노후 철도노반의 위험도 평가기준 정립, 유지관리 우선순위 선정기법 개발, 보강공법 적용 전·후의 성능 비교 연구가 추가로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
