이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 .75km급 쌍굴터널의 압력경감 덕트 터널 시스템의 전체 구성도이다.
이에 도시된 바와같이 본 발명의 0.75km급 쌍굴터널의 압력경감 덕트 터널 시스템은 터널과 터널 사이의 측벽을 통해 서로 연결하는 압력경감 덕트를 형성하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 본 발명의 0.75km급 쌍굴 터널의 정확한 통풍공의 간격, 수량, 내경에 대한 최적설계값을 얻기 위해 본 발명의 출원인인 한국철도기술연구원에서 특허출원 2000-64426호로 선출원된 1/61축척 터널주행 열차모형 시험장치(도 41로 도시됨)를 적용하여 터널내의 풍압변동 저감효과를 파악하였다.
이때, 시험대상인 실척 763.84m 터널에 대해서는 4량 1편성 열차의 수치해석을 수행하여 통풍공이 없는 터널에 대해 시험데이터를 비교하였으며, 시험에 앞서 시험장치 및 시험모델을 검증하는 절차가 필요함에 따라 제원의 실척크기에 대해 특성곡선 방정식 해법으로 하기의 표 1 및 표 2와 같은 비정상적 1차원해석으로 수치해석을 수행하였다.(대기온도는 293 K, 대기압은 102,100 Pa의 조건)
항 목
|
제 원
|
열 차 유 효 단 면 적 |
9.8 m2 |
전 두 부 형 상 |
새마을호 유선형 |
열 차 둘 레 |
12.08 m |
차 량 편 성 |
4량 1편성(2M + 2T) |
차 량 길 이 |
94.30 m(4량) |
이에, 1/61축척 터널모형 실험은 터널모델의 길이가 12.522m(실척 763.84m)이며, 도 5와 같이 열차가 통과하는 모델과 열차가 통과하지 않는 터널모델(시험장치상에서는 아크릴 터널로 형성하였음.)구성되고, 쌍굴터널 사이의 거리는 기존선 단선터널에서 상/하행선 쌍굴터널의 평균거리인 325mm(실척 19.8m)이며, 열차모델의 길이는 1,546m(실척 94.3m)이고, 열차가 통과하는 터널 내벽에서 측정하는 풍압변동 및 터널출구의 미기압파 충격성 소음측정을 위해 압력센서와 포토센서 및 미기압파계를 도 6과 같이 위치시켰다.
또한, 터널모델에 대해 덕트 갯수를 변화시키고(3,9,19개), 덕트의 내경을 달리하여 하기의 표 3과 같이 터널내 풍압변동 저감성능, 덕트의 환기 유속, 미기압파 저감성능 시험을 수행하였으며, 터널내 덕트의 측벽 배열은 하기의 표 4와 같이 배열하였는데, 표 4에서와 같이 터널 측벽에 좌,우 각각 37개씩의 압력경감 덕트를 설치를 위한 구멍이 존재하고 사용치않는 구멍은 마개로 기밀하게 고정하게된다.
번호 |
터널모델길이 |
열차모델편성 및 진입속도 |
압력경감덕트내경변화 |
압력경감덕트 개수 |
유동가시화 |
내부환기성능시험 |
1 |
12.522 m |
5량1편성110 km/h∼180 km/h |
내경37 mm |
19 |
터프트 그리드 방법 |
환기유속 측정1개소 |
2 |
12.522 m |
4량1편성110 km/h∼180 km/h |
내경37 mm |
19 |
터프트 그리드 방법 |
환기유속 측정1개소 |
3 |
12.522 m |
4량1편성110 km/h∼180 km/h |
내경25 mm |
19 |
터프트 그리드 방법 |
환기유속 측정1개소 |
4 |
12.522 m |
4량1편성110 km/h∼180 km/h |
내경15 mm |
19 |
터프트 그리드 방법 |
환기유속 측정1개소 |
5 |
12.522 m |
4량1편성110 km/h∼180 km/h |
내경37 mm |
9 |
터프트 그리드 방법 |
환기유속 측정1개소 |
6 |
12.522 m |
4량1편성110 km/h∼180 km/h |
내경37 mm |
3 |
터프트 그리드 방법 |
환기유속 측정1개소 |
7 |
8.372 m |
4량1편성110 km/h∼180 km/h |
내경37 mm |
12 |
터프트 그리드 방법 |
환기유속 측정1개소 |
8 |
8.372 m |
4량1편성110 km/h∼180 km/h |
내경37 mm |
6 |
터프트 그리드 방법 |
환기유속 측정1개소 |
9 |
8.372 m |
4량1편성110 km/h∼180 km/h |
내경15 mm |
12 |
터프트 그리드 방법 |
환기유속 측정1개소 |
10 |
4.2 m |
4량1편성110 km/h∼180 km/h |
내경37 mm |
6 |
터프트 그리드 방법 |
환기유속 측정1개소 |
11 |
4.2 m |
4량1편성110 km/h∼180 km/h |
내경15 mm |
6 |
터프트 그리드 방법 |
환기유속 측정1개소 |
구 분 |
L1(터널길이) |
L2(첫번째 압력경감덕트까지의 거리) |
L3(압력경감덕트 간격) |
S(압력경감덕트 길이) |
터널연장 |
압력경감덕트 개수 |
12.522 m(실척 0.764 km) |
19개 |
12.522 m |
0.333 m |
0.67 m |
0.325m |
9개 |
〃 |
1.003 m |
1.34 m |
3개 |
〃 |
3.013 m |
3.35 m |
이에, 전술한 4량 1편성 열차모델에 대하여 덕트의 내경 37mm(실척 2.25m)일때 덕트의 갯수에 따른 풍압변동을 비교하였으며, 하기의 표 5에서와 같이 터널모델 입구에서 333.33mm(실척 20.23m)거리에 위치한 덕트를 기준으로 덕트 간격을 3종류로 변화시키면서 터널모델내의 풍압변동을 측정하였다.
12.522 m |
터널입구 |
(1) 압력경감 덕트 개수: 총 19개압력경감 덕트 간격: 0.67 m (실척 40.87 m) |
터널1 |
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37
|
터널2 |
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37
|
터널입구 |
(2) 압력경감 덕트 개수: 총 9개압력경감 덕트 간격 1.34 m (실척 81.74 m) |
터널1 |
3 7 11 15 19 23 27 31 35
|
터널2 |
3 7 11 15 19 23 27 31 35
|
터널입구 |
(3) 압력경감 덕트 개수: 총 3개압력경감 덕트 간격 3.35 m (실척 204.35 m) |
터널1 |
9 19 29
|
터널2 |
9 19 29
|
8.372 m |
터널입구 |
(4) 압력경감 덕트 개수: 총 12개압력경감 덕트 간격: 0.67 m (실척 40.87 m) |
터널1 |
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
|
터널2 |
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
|
터널입구 |
(5) 압력경감 덕트 개수: 총 6개압력경감 덕트 간격: 1.34 m (실척 81.74 m) |
터널1 |
1 5 9 13 17 21
|
터널2 |
1 5 9 13 17 21
|
4.2 m |
터널입구 |
(6) 압력경감 덕트 개수: 총 6개압력경감 덕트 간격: 0.67 m (실척 40.87 m) |
터널1 |
1 3 5 7 9 11
|
터널2 |
1 3 5 7 9 11
|
도 7 ~ 도 10은 터널진입속도 110km/h급에 대한 풍압센서 위치별 시험결과를나타낸 그래프이고, 도 11 ~ 도 14는 터널진입속도 150km/h급에 대한 풍압센서 위치별 시험결과를 나타낸 그래프이며, 도 15 ~ 도 18은 터널진입속도 180km/h급에 대한 풍압센서 위치별 시험결과를 나타낸 그래프이다.
또한, 도 19 ∼ 도 21은 터널내 열차진입속도에 대한 그래프의 풍압변동 최대 피크값의 결과를 나타낸 것이다.
이와같은 시험결과를 통해 알 수 있듯이 압력경감 덕트 설치 개수가 증가하는 경우에 터널내 풍압변동 최대 피크 값이 감소하며, 19개 설치시 압력경감 덕트를 설치하지 않은 경우보다 열차 주행속도 영역 110 km/h ~ 180 km/h에서 평균 약 43.0 %의 저감율을 갖는 것으로 나타났다.
그리고 압력경감 덕트를 3개만 설치하여도 평균 약 18.5 %의 풍압변동 저감효과를 보이고 있고, 3개에서 9개로 덕트를 증가시키면 약 18 % 정도로 풍압변동 저감율이 증가하고, 9개에서 19개로 덕트를 증가시키면 약 7 % 정도로 풍압변동 저감율이 증가하는 결과를 얻었다.
이는 압력경감 덕트 설치시 열차 주행속도가 증가하면 상대적으로 터널내 풍압변동의 저감율은 감소하고, 덕트 개수 증가에 대하여 풍압변동 저감율이 정비례 증가 양상은 보이지 않는 것을 알 수 있다.
한편, 도 22( 압력경감덕트 갯수에 따른 미기압파 저감율을 나타낸 표)와 도 23(압력경감덕트 내경이 37mm일때 압력경감덕트 갯수에 따른 미기압파 최대값의 저감효과를 보인 그래프.)에서와 같이 압력경감 덕트 개수가 3개인 경우에 미기압파 저감율이 약 4.9 % 정도로 미미하나 압력경감 덕트 개수가 9개인 경우는 미기압파저감율이 약 34.2 %로 크게 증가하는 것을 알 수 있다.
또한, 압력경감 덕트 개수가 19개인 경우는 미기압파 저감율이 약 46.9 %로 덕트가 9개인 경우보다 약 12 % 더 증가함을 알 수 있는바, 시험 결과로부터 미기압파 저감효과와 터널내 풍압변동 저감효과를 동시에 갖는 압력경감 덕트 방식 터널 시스템의 효용성은 크다고 볼 수 있다.
또 다르게, 본 발명의 압력경감 터널 시스템에 있어, 압력경감덕트의 내경 변화에 따른 풍압변동과 미기압파 저감성능을 살펴 보기 위해 4량 1편성 열차모델에 대하여 표 5에서와 같이 터널 입구에서 333.33mm(실척 20.33m)거리에 위치한 덕트를 기준으로 압력경감덕트를 19개 고정하고, 압력경감 덕트의 내경변화(내경 15mm(실척0.92 m), 25mm(실척 1.52m), 37mm(실척 2.25m))에 따른 풍압변동을 시험하였다.
이에, 도 24 ~ 도 27은 터널진입속도 110km/h급에 대한 풍압센서 위치별 시험결과를 나타낸 그래프이고, 도 28 ~ 도 31은 터널진입속도 150km/h급에 대한 풍압센서 위치별 시험결과를 나타낸 그래프이며, 도 32 ~ 도 35는 터널진입속도 180km/h급에 대한 풍압센서 위치별 시험결과를 나타낸 그래프이고, 도 36 ~ 도 38은 터널내 열차진압속도에 대한 그래프의 최대 피크값의 결과를 나타낸 것인데,
압력경감 덕트의 내경이 증가하는 경우에 터널내 풍압변동 최대 피크 값이 감소하며, 압력경감 덕트 내경이 37 mm(실척 2.25 m)인 경우 압력경감 덕트를 설치하지 않은 경우보다 열차 주행속도 영역 110 km/h ~ 180 km/h에서 평균 약 43.0 %의 저감율을 보이고 있다.
또한, 압력경감 덕트의 내경이 15 mm(실척 0.91 m)인 경우는 평균 약 31.8 %의 풍압변동 저감효과를 보이고 있고, 내경 15 mm에서 25 mm(실척 1.52 m)로 덕트의 내경을 증가시키면 약 5.6 % 정도 풍압변동 저감율이 증가하며, 덕트내경을 25 mm에서 37 mm로 증가시키면 약 5.63 % 정도 풍압변동 저감율이 증가하는 결과를 얻었다.
한편, 압력경감 덕트의 갯수가 19개인 경우, 도 39( 열차진입속도별 미기압파 최대값의 저감계수를 나타낸 결과표)와 도 40(열차진입속도 150~180 km/h에 대하여 압력경감 덕트의 내경변화에 따른 미기압파 최대값의 저감율을 나타낸 그래프.)에서와 같이 압력경감 덕트 내경이 15 mm인 경우에 미기압파 저감율이 약 21.6 % 정도이나 압력경감 덕트 내경이 25 mm인 경우는 미기압파 저감율이 약 33.4 %로 크게 증가하는 것을 알 수 있다.
또한 압력경감 덕트 내경이 37 mm인 경우는 미기압파 저감율이 약 46.9 %로 덕트 내경이 15 mm인 경우보다 약 25.3 % 더 증가하였으며, 덕트의 내경 증가에 대하여 미기압파 저감율이 크게 향상되었다.
따라서 상기 시험 결과로부터 터널내 풍압변동와 저감효과 미기압파 저감효과를 갖는 압력경감 덕트 방식 터널 시스템의 효용성은 크다는 것을 알 수 있다.