KR101200842B1 - 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 및 그 설치방법 - Google Patents

터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 및 그 설치방법 Download PDF

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KR101200842B1 KR1020100043107A KR20100043107A KR101200842B1 KR 101200842 B1 KR101200842 B1 KR 101200842B1 KR 1020100043107 A KR1020100043107 A KR 1020100043107A KR 20100043107 A KR20100043107 A KR 20100043107A KR 101200842 B1 KR101200842 B1 KR 101200842B1
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윤수환
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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명은 고속열차 또는 고속전철이 소정의 터널을 고속으로 통과할 때, 터널내부 및 차량표면에서 나타나는 큰 압력변동을 줄이고자 터널 입/출구에 설치하는 짧은 터널형상의 구조물이다. 차량이 터널을 진입 시 발생하는 압축파와 팽창파의 중첩이 발생할 수 있도록, 차량 및 터널의 속성에 맞게 구조물의 길이를 결정하여, 터널 입/출구에 설치하면, 차량이 고속으로 좁은 터널을 통과하더라도 압력변동이 크게 줄일 수 있어서 승객의 이명감을 감소시킬 수 있다. 특히, 이미 건설된 기존터널의 주행속도를 향상시키고자 할 때, 건설이 용이하기 때문에 효율적으로 압력변동을 감소시킬 수 있다.

Description

터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 및 그 설치방법{DUMMY TUNNEL DUCT FOR PRESSURE VARIATION REDUCTION IN A TUNNEL AND METHOD FOR INSTALLING THE SAME}
본 발명은 고속으로 주행하는 전철 또는 열차의 차량이 터널을 통과할 때 나타나는 승객의 이명감 제거를 위해, 그 원인이 되는 큰 압력변동을 감쇄시키기 위한 더미터널덕트 및 그 설치방법에 관한 것으로, 특히 차량이 터널입구로 진입할 때 발생하는 압축파와 팽창파를 중첩시켜, 각 압력파(압축파,팽창파)의 성질을 서로 상쇄시켜서 터널내의 큰 압력변동을 감쇄시키기 위한 더미터널덕트 및 그 설치방법에 관한 것이다.
일반적으로 예를 들어, 고속으로 운행하는 전철 또는 기차의 철도차량이 기존 노선의 협소한(단면적이 작은) 터널(예를 들어, 고속철도터널, 고속전철터널 등)을 고속으로 진입하면, 차량의 전두부가 터널 입구로 진입 시 압축파가 발생하고 그리고 차량의 후미부가 터널 입구로 진입 시 팽창파가 발생한다. 전두부 진입 시 발생한 압축파는 터널 출구방향으로 음속의 속도로 전파된다. 터널 출구에 도달한 압축파는 출구에서 다시 팽창파로 반사되어 터널 입구 방향으로 전파된다. 역시, 터널입구에 도달한 반사팽창파는 터널입구에서 다시 압축파로 반사되어 터널출구로 전파된다. 이와 같이, 고속전철이 터널을 진입할 때 발생한 압축파와 팽창파는 터널 입/출구를 왕복하면서, 터널을 주행하는 고속철도차량의 표면에 큰 압력변동을 발생시킨다. 이렇게 발생한 큰 압력변동은 차량표면의 피로하중을 유발하고, 승객에 이명감을 발생시켜 승차감(안락감)을 감소시킨다. 그리고 터널출구에 도달한 압력파들은 그 일부가 미기압파 형태로 방출되어, 터널주변의 환경소음을 유발하기도 한다. 이러한 문제점 해결을 위해, 터널의 면적을 확장시키거나 터널의 형상을 변형하고, 혹은 차량의 기밀도를 높이는 등 다양한 방법이 있지만, 건설비용 및 건설기간 등 여러가지 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기 문제점, 즉 철도차량이 협소한 터널을 고속주행 시 터널 내에서 발생하는 큰 압력변동을 감소시키기 위한 것이다. 철도차량이 고속으로 협소한 터널을 진입할 때 발생하는 큰 압력변동은 승객의 이명감, 터널출구 소음환경, 그리고 차량표면에 반복적인 공력하중 등을 유발시켜 승객의 안락감(승차감) 감소, 터널출구 환경소음야기 그리고 차량수명 감소 등의 문제를 해결할 수 있다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면은, 고속으로 주행하는 전철 또는 열차의 차량이 터널을 통과할 때 발생하는 큰 압력변동을 감쇄시키기위한 더미터널덕트 설치방법으로서, 주어진 운행차량길이(Ltr)와 최고주행속도(Vmax)의 조건하에서, 차량의 전두부가 터널 입구로 진입시 발생하는 압축파(이하, '제1 압축파'라 함)가 출구부분에서 팽창파로 반사되어 터널 입구로 전파되어 다시 터널 입구부분에서 반사되는 압축파(이하, '제2 압축파'라 함)와 차량의 후미부가 터널 입구로 진입시 발생하는 팽창파(이하, '제1 팽창파'라 함)와 중첩될 수 있는 임계 터널길이(Lcr)를 정하는 단계; 상기 터널길이(Lbase)와 상기 임계터널길이(Lcr)를 비교하는 단계; 및 상기 터널길이(Lbase)가 상기 임계터널길이(Lcr)보다 짧은 경우에, 상기 임계터널길이(Lcr)와 상기 터널길이(Lbase)의 차(Ltotal - duct)를 더미터널덕트의 길이로 정하는 단계를 포함하는 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법에 관한 것이다.
상기 본 발명의 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법에 따르면, 상기 임계터널의 길이(Lcr)는 하기의 수학식 1에 의해 정해질 수 있다.
Figure 112010029538710-pat00001
------ [수학식 1]
(여기서,
Figure 112010029538710-pat00002
은 차량의 평균 터널진입 속도,
Figure 112010029538710-pat00003
은 차량의 길이,
Figure 112010029538710-pat00004
은 임계터널길이.
Figure 112010029538710-pat00005
는 음속,
Figure 112010029538710-pat00006
는 지역평균온도이다)
또한, 상기 본 발명의 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법에 따르면, 상기 임계터널의 길이(Lcr)는 하기의 수학식 2에 의해 정해질 수 있다.
Figure 112010029538710-pat00007
------ [수학식 2]
(여기서,
Figure 112010029538710-pat00008
은 차량의 평균 터널진입 속도,
Figure 112010029538710-pat00009
은 차량의 길이,
Figure 112010029538710-pat00010
은 임계터널길이.
Figure 112010029538710-pat00011
는 음속,
Figure 112010029538710-pat00012
는 지역평균온도,
Figure 112010029538710-pat00013
는 압력파의 추가 전파거리이다)
또한, 상기 본 발명의 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법에서의 상기 압력파의 추가 전파거리 △Lw 는 터널내의 압력변동율(PVR)의 함수로 되며, 상기 압력변동율(PVR: Pressure Variation Rate)은 하기의 수학식 3에 의해 정해질 수 있다.
Figure 112010029538710-pat00014
------ [수학식 3]
(여기서, T는 차량이 터널을 통과하는 전체시간, P는 차량표면의 압력,
Figure 112010029538710-pat00015
는 차량표면의 평균압력이다.)
또한, 상기 본 발명의 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법에 서의 상기 압력파의 추가 전파거리 △Lw 이 상기 압력변동율(PVR)의 최소값에 대응하는 값으로 될 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법에서의 압력파의 추가 전파거리 △Lw 는 70m - 90m로 될 수 있다. 상기 추가 전파거리 △Lw 는 바람직하기로는 약 80m로 될 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법에서의 더미터널덕트가 Ltotal - duct의 길이를 가지고 터널의 입구 또는 출구쪽에 설치될 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법에 서의 더미터널덕트가 입구측 및 출구측에 설치되며, 입구측 더미터널덕트의 길이(△L1)와 출구측 더미터널덕트의 길이(△L2)와의 합이 상기 Ltotal - duct의 길이로 될 수 있다.
본 발명의 제2 측면은, 고속으로 주행하는 열차가 소정의 터널을 통과할 때 발생하는 큰 압력변동을 감쇄시키기위한 더미터널덕트로서, 차량의 전두부가 터널 입구로 진입시 발생하는 제1 압축파가 출구부분에서 팽창파로 반사되어 터널 입구로 전파되어 다시 터널 입구부분에서 반사되는 제2 압축파와 차량의 후미부가 터널 입구로 진입시 발생하는 제1 팽창파와 중첩될 수 있도록, 상기 소정의 터널의 입구 또는 출구에 설치되는 소정의 길이를 가지는 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트에 관한 것이다.
또한, 상기 본 발명의 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트에서의 더미터널덕트의 길이(Ltotal - duct)는, 상기 소정의 터널의 길이(Lbase)가 주어진 운행 열차의 길이(Ltr)와 최고 주행속도(Vmax)의 조건하에서, 차량의 전두부가 터널 입구로 진입시 발생하는 제1 압축파가 출구부분에서 팽창파로 반사되어 터널 입구로 전파되어 다시 터널 입구부분에서 반사되는 제2 압축파와 차량의 후미부가 터널 입구로 진입시 발생하는 제1 팽창파와 중첩될 수 있는 임계터널의 길이(Lcr)보다 짧은 경우에, 그 차인 Lcr - Lbase 로 정해질 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트에서, 상기 임계터널의 길이(Lcr)는 하기의 수학식 1에 의해 정해질 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112010029538710-pat00016
(여기서,
Figure 112010029538710-pat00017
은 차량의 평균터널진입 속도,
Figure 112010029538710-pat00018
은 차량의길이,
Figure 112010029538710-pat00019
은 임계터널길이.
Figure 112010029538710-pat00020
는 음속,
Figure 112010029538710-pat00021
는 지역평균온도이다)
또한, 상기 본 발명의 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트에서, 상기 임계터널의 길이(Lcr)는 하기의 수학식 2에 의해 정해질 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112010029538710-pat00022
(여기서,
Figure 112010029538710-pat00023
은 차량의 평균 터널진입 속도,
Figure 112010029538710-pat00024
은 차량의 길이,
Figure 112010029538710-pat00025
은 임계터널길이.
Figure 112010029538710-pat00026
는 음속,
Figure 112010029538710-pat00027
는 지역평균온도,
Figure 112010029538710-pat00028
는 압력파의 추가 전파거리이다)
또한, 상기 본 발명의 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트에서, 상기 압력파의 추가 전파거리 △Lw 는 터널내의 압력변동율(PVR)의 함수로 되며, 상기 압력변동율(PVR)은 하기의 수학식 3에 의해 정해질 수 있다.
Figure 112010029538710-pat00029
------ [수학식 3]
(여기서, T는 차량이 터널을 통과하는 전체시간, P는 차량표면의 압력,
Figure 112010029538710-pat00030
는 차량표면의 평균압력이다.)
또한, 상기 본 발명의 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트에서, 상기 압력파의 추가 전파거리 △Lw 이 상기 압력변동율(PVR)의 최소값에 대응하는 값으로 될 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트에서, 상기 압력파의 추가 전파거리 △Lw 는 70m - 90m로 될 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트에서, 상기 압력파의 추가 전파거리 △Lw 는 바람직하기로는 약 80m로 될 수 있다.
본 발명을 적용하면, 고속 철도차량이 단면적이 기존 노선의 단면적이 협소한 터널을 최고속도로 주행하더라도 터널 내부에 발생하는 압력변동을 크게 감소시킬 수 있다. 따라서, 터널내부의 큰 압력변동으로 인한 차량의 터널진입 속도에 대한 제약을 제거할 수 있다. 또한, 이러한 압력변동 감소를 통해, 차량에 탑승한 승객의 안락감(승차감)을 향상시킬 수 있고, 터널출구 주변에서 발생하는 압력파의 확산을 감소시켜 환경소음을 줄일 수 있다. 또한, 압력변동으로 인해 차량표면에서 발생하는 압력하중을 감소시켜 차량수명을 연장시킬 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 더미터널덕트 및 그 설치방법은 새롭게 건설되는 고속철도 또는 고속전철의 노선에 적용하면, 터널 단면적을 보다 작게 건설할 수 있게 되어 건설비용을 대폭적으로 절감할 수 있는 효과가 얻어진다.
도 1은 제1 테스트에 따른 터널을 통과하는 시험용 차량에 대한 차량표면압력변동의 풀-스케일 테스트결과와 수치해석결과를 나타낸 선도이다.
도 2는 제2 테스트에 따른 터널을 통과하는 시험용 차량에 대한 차량표면압력변동의 풀-스케일 테스트결과와 수치해석결과를 나타낸 선도이다.
도 3은 제1 테스트에 따른 터널내에서의 압력변동을 나타낸 선도이다.
도 4는 철도차량의 터널진입시 발생하는 터널내에서의 압축파와 팽창파의 거동을 나타낸 선도이다.
도 5는 고속 철도차량을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 더미터널덕트의 설치상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따라 더미터널덕트의 길이를 산출하는 흐름도이다.
도 8은 터널내에서의 압축파의 추가 전파거리(△Lw )를 설명하는 도면이다.
도 9는 압력변동율(PVR)과 추가 전파거리(△Lw)의 관계를 나타낸 선도이다.
도 10은 터널내에서의 철도차량의 속도(Vtr)와 최대압력변동(△Pmax)의 관계를 나타낸 도면이다.
상기 본 발명의 목적과 특징 및 장점은 첨부도면 및 다음의 상세한 설명을 참조함으로서 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 '?사이에'와 '바로 ?사이에' 또는 '?에 이웃하는'과 '?에 직접 이웃하는' 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전의 정의 되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
실시예1
본 발명의 발명자는 시험용 철도차량(1)이 예를 들어 협소한 터널(2)(단면적이 작은 터널)을 고속으로 통과하는 동안 철도차량에서의 표면압력이력(surface pressure histories)을 조사하기 위하여 풀-스케일 테스트(full-scale test)를 수행하였고, 풀-스케일 테스트에서의 압력변동감쇄를 조사하기 위하여, 수치해석이 수행되었다.
제1 테스트에서 시험용 철도차량(1)의 운행속도는 158km/h, 터널(2) 길이는 880m 였으며, 터널(2)을 통과하는 시험용 철도차량(1)에 대한 수치해석결과가 도 1에 도시되었다. 도 1은 수치해석결과에서의 표면 압력변동을 풀-스케일 테스트와 비교한 선도로서, 실선은 필드 측정의 위치에서 얻어진 수치해석결과를 나타내며, 원은 풀-스케일 테스트의 결과를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 수치해석의 결과는 풀-스케일 테스트의 결과와 잘 일치하며, 압력파가 측정점을 통과할 때마다, 표면 압력은 크고 급격하게 변한다.
제2 테스트에서 시험용 철도차량(1)의 운행속도는 147km/h, 터널(2) 길이는 570m 였으며, 터널(2)을 통과하는 시험용 철도차량(1)에 대한 수치해석결과가 도 2에 도시되었다. 도 1과 마찬가지로 도 2는 수치해석결과에서의 표면 압력변동을 풀-스케일 테스트와 비교한 선도로서, 실선은 필드 측정의 위치에서 얻어진 수치해석결과를 나타내며, 원은 풀-스케일 테스트의 결과를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 수치해석의 결과는 풀-스케일 테스트의 결과와 잘 일치한다. 도 2를 도 1과 비교할 때, 제1 테스트(도 1)에서는 압력변화가 크지만, 제2 테스트(도 2)에서는 압력변화가 작고 완만한다.
일반적으로 터널을 통과하는 철도차량(1)의 표면압력은 전두부(nose)가 터널로 진입하면서 서서히 증가하다가 후미부(tail) 진입시 발생한 팽창파에 의해서 급격히 감소한다. 또한, 터널출구에서 반사된 팽창파와 중첩되면서 또 다시 급격히 감소한다. 이렇게 감소한 압력은 압축파가 지나게 되면서 급격하게 상승하고, 터널 출구에서 반사된 압축파에 의해 또 다시 상승한다. 이렇게 터널입구에서 발생한 압축파(compression wave)와 팽창파(expansion wave)는 터널내부를 주행하는 철도차량(1)과 서로 상호작용을 일으키면서 차량 내외부에서 도 3과 같은 아주 급격한 압력변동을 발생시킨다. 그런데, 차량의 전두부가 터널 입구로 진입시 발생하는 압축파(이하, '제1 압축파'라 함)가 출구부분에서 팽창파로 반사되어 터널 입구로 전파되어 다시 터널 입구부분에서 반사되는 압축파(이하, '제2 압축파'라 함)와 차량의 후미부가 터널 입구로 진입시 발생하는 팽창파(이하, '제1 팽창파'라 함)와 중첩되어 서로 상쇄가 잘 일어나면, 제2 테스트에서와 같이 터널내의 압력변화는 작고 완만하게 된다. 반면, 터널내에서 상기 제2 압축파와 상기 제1 팽창파가 중첩되어 상쇄되는 비율은 적고 상대적으로 상기 제1 압축파와 상기 제2 압축파가 중첩되어 압축파가 급격하게 커지게 되면 제1 테스트에서와 같이 터널내의 압력변화가 커지게 된다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 차량의 전두부가 터널입구 진입시 발생한 제1 압축파가 터널출구부근에서 팽창파로 반사되어 터널입구에서 제2 압축파로 반사되는 시점에 차량의 후미부가 터널입구로 진입되어 제1 팽창파를 발생시키게 되면, 터널입구에서 제2 압축파와 제1 팽창파가 서로 중첩되어 압력변화가 서로 상쇄될 수 있는 길이(Lcr)를 가지는 임계터널을 산출하는 것이 중요하다.
상기와 같은 임계터널에서는 차량의 전두부의 터널입구 진입시 발생한 제1 압축파가 터널출구에서 반사되어 다시 터널입구에 도달하기까지 걸린 시간 (△tnr)과 차량의 후미부가 터널입구에 진입시 제1 팽창파가 발생하는 시점(즉, 차량의 전두부가 터널입구로 진입하여 차량의 후미부가 터널입구에 진입완료하는 시점)까지의 소요된 시간(△tte)이 동일하게 된다.
따라서, 상기와 같은 임계터널에서는 터널길이, 차량길이, 차량속도가 하기의 수학식 1과 같은 관계를 가지고 있다.
Figure 112010029538710-pat00031
---- [수학식 1]
여기서,
Figure 112010029538710-pat00032
은 차량의 평균 터널진입 속도,
Figure 112010029538710-pat00033
은 차량의 길이,
Figure 112010029538710-pat00034
은 임계터널길이.
Figure 112010029538710-pat00035
는 음속,
Figure 112010029538710-pat00036
는 지역평균온도이다.
도 5와 같이 개발된 고속철도 차량(1)의 길이가 Ltr 이고, 그 차량의 최고주행 속도가
Figure 112010029538710-pat00037
인 경우, 상기 [수학식 1]의 관계를 이용하여, 압축파와 팽창파가 중첩되는 임계터널길이 Lcr 를 구할 수 있다. 터널(2)의 길이 Lbase 가 임계터널의 길이 Lcr 보다 짧은 경우, 그 길이 차(Ltotal - duct = Lcr - Lbase)만큼의 더미터널덕트(2', 2")를 도 6과 같이 설치한다. 상기 터널(2)은, 예를 들어, 고속철도터널, 고속전철터널 등이 될 수 있다. 이때, 설치되는 더미터널덕트(2', 2")의 위치는 터널(2)입구 또는 출구 어느쪽도 상관없다. 또한, 터널(2)의 입구 및 출구 양쪽에 나누어 설치할 수도 있다. 다만, 터널(base tunnel)(2)을 포함한 터널 전체길이가 Lcr 이 되도록 더미터널덕트(Ltotal - duct (△L1 + △L2)를 설치하면 되기 때문이다. 따라서, 더미터널덕트(2', 2")는 설치를 위한 터널입구 및/또는 출구의 공간적 제약이 적다는 장점도 있다. 고속 철도차량(1)이 통과하는 기존 노선의 협소 터널에 더미터널턱트(2', 2")를 적용시키면 전술한 도 2와 같이 차량표면압력에서 압력변동이 현저하게 감쇄되어서, 승객의 안락감(승차감)이 향상된다. 따라서, 터널 구조물 형상의 더미터널덕트(2', 2")를 새롭게 개발되는 차량(예를 들어, 고속으로 운행되는 전철 또는 상급 열차)의 길이와 속도에 맞게 적용함으로써, 터널내부 및 차량표면에서 발생하는 큰 압력변동을 아주 간단하고 효과적으로 줄일 수 있어서 승객의 이명감을 현저하게 감소시킬 수 있다.
상기 본 발명의 실시예1에 따른 더미터널덕트는 터널과 동일한 단면적이며 동일한 형상으로 이루어지며, 예를 들어 콘크리트구조물 또는 철근콘크리트구조물 등을 이용하여 설치될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예1에 따라 더미터널덕트를 설치하는 경우에는 주변의 환경과 잘 조화될 수 있도록 더미터널덕트의 외부에 적절하게 조경공사를 시공할 수 있다.
이어서, 고속으로 운행하는 전철 또는 열차가, 예를 들어, 협소 터널을 통과할 때, 터널내에서 발생되는 급격한 압력변동을 감쇄시키기 위하여 더미터널덕트(2', 2")를 설치하는 방법을 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 터널을 운행할 고속 전철 또는 열차의 차량길이(Ltr)와 최고주행속도(Vmax)의 정한다.
다음에, 상기 차량길이(Ltr)와 최고주행속도(Vmax)의 조건하에서, 차량의 전두부가 터널 입구로 진입시 발생하는 제1 압축파가 출구부분에서 팽창파로 반사되어 터널 입구로 전파되어 다시 터널 입구부분에서 반사되는 제2 압축파와 차량의 후미부가 터널 입구로 진입시 발생하는 제1 팽창파와 중첩될 수 있는 임계 터널길이(Lcr)를 전술한 수학식 1에 의해 정한다.
다음에, 상기 터널길이(Lbase)와 상기 임계터널길이(Lcr)를 비교한다.
다음에, 상기 터널길이(Lbase)가 상기 임계터널길이(Lcr)보다 짧은 경우에, 상기 임계터널길이(Lcr)와 상기 터널길이(Lbase)의 차(Ltotal - duct)를 더미터널덕트(2', 2")의 길이로 정한다. 이 단계에서 상기 터널길이(Lbase)가 상기 임계터널길이(Lcr)보다 긴 경우에는 터널내의 압력을 경감시키기 위하여, 종래의 기술로 공지된 압력경감덕트(pressure relief shaft)설치공법 또는 터널단면확대(enlarge tunnel cross-section)공법 등을 시행할 수 있다.
다음에, 상기에서 산출된 길이(Ltotal - duct = Lcr - Lbase)의 더미터널덕트(2', 2")를 도 6과 같이 설치한다. 이때, 설치되는 더미터널덕트(2', 2")의 위치는 터널입구 또는 출구 어느 쪽도 상관없다. 또한, 터널의 입구 및 출구 양쪽에 나누어 설치할 수도 있다.
상기 본 발명의 실시예1에 따른 더미터널덕트 및 그 설치방법은 새롭게 건설되는 고속철도 또는 고속전철의 노선에도 적용할 수 있다. 이와 같이, 새롭게 건설되는 고속철도 또는 고속전철의 노선의 터널공사에 본 발명의 실시예1에 따른 더미터널덕트 및 그 설치방법을 적용할 경우에 터널 단면적을 보다 작게 건설할 수 있게 되어 건설비용을 대폭적으로 절감할 수 있는 효과가 얻어진다.
실시예2
전술한 실시예1에서 시험용 철도차량(1)이 협소 터널(2)을 고속으로 통과하는 동안 차량에서의 표면압력이력을 조사하기 위하여 풀-스케일 테스트와 수치해석을 수행하여, 철도차량이 터널(2)을 통과할 때 터널(2)내에서 발생하는 커다란 압력변동을 감쇄시킬 수 있는 터널(2)의 길이를 수학식 1에 의거하여 산출하였으나, 하기에서 설명하는 실시예2에 따라 터널(2)내에서의 압축파의 보다 정확한 거동에 근거하여 터널(2)의 길이를 산출할 경우에, 더 바람직한 터널내 압력변동감쇄를 달성할 수 있다.
실시예2의 시험조건은 실시예1의 경우와 동일하여 추가적인 설명은 생략하였으나, 실시예2에서는 터널(2)내에서의 압축파의 보다 정확한 거동에 근거하여 터널(2)의 길이를 산출하였다.
실시예1에서 설명한 바와 같이, 철도차량(1)의 전두부(nose)가 터널 입구로 진입시 압축파(제1 압축파)가 발생하고, 이 제1 압축파가 터널 출구에 도달하면 팽창파로 변화/반사되어 다시 터널 입구방향으로 전파되며, 이 팽창파가 입구에 도달하면 다시 압축파(제2 압축파)로 변화/반사한다. 그러나, 차량의 후미부(tail)가 터널 입구로 진입 시는 , 팽창파(제1 팽창파)부터 발생한다. 그리고, 이 팽창파는 역시 상기 압축파와 같은 과정을 거치면서 전파/반사한다.
그러나, 차량의 전두부의 터널(2) 입구 진입시 발생한 압축파의 파두의 형상을 T=1, T=2, T=3의 시간대별로 살펴 볼 때, 압축파의 파두의 모양이 터널(2)을 진입하면서 시간대별로 도 8과 같이 나타난다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 터널(2) 입구에서 발생한 압축파가 터널(2) 출구에 도달하여 반사되는 팽창파가 압력상승이 어느 정도 발달하려면 시간이 필요하다. 즉, 어떤 한 지점(T=1에서 A지점)을 기준으로 생각했을 때, B지점까지 압력이 상승하기 위해서는 시간이 진행되어야 하고, 그 진행되는 만큼 파두의 끝점(A)이 좀더 전파를 해야한다. 그래야만, 차량의 후미부가 터널(2) 입구에 진입시 발생하는 팽창파의 크기와 비슷한 수준으로 중첩이 될 수 있게 된다. 따라서, 차량의 전두부가 터널(2) 입구 진입시 발생하는 압력파가 추가 거리만큼(
Figure 112010029538710-pat00038
) 전파되어야만, 상기 제2 압축파와 상기 제1 팽창파의 상호 중첩이 잘 이루어져서 서로 상쇄가 더 잘 일어날 수 있게 된다. 만약, 이 값이 없으면, 즉,
Figure 112010029538710-pat00039
=0인 상황에서는, 경우에 따라서는, A지점이 터널(2)출구에 도달할 뿐 팽창파의 크기 만큼 발달되지 않아서 중첩이 발생하여도 그 효과가 적어질 수도 있다.
본 발명의 실시예2에 따르면, 임계터널길이, 기존 터널길이, 차량길이, 차량속도 등이 하기의 수학식 2와 같은 관계를 가진다.
Figure 112010029538710-pat00040
---- [수학식 2]
여기서,
Figure 112010029538710-pat00041
는 차량의 평균 터널진입 속도,
Figure 112010029538710-pat00042
은 차량의 길이,
Figure 112010029538710-pat00043
은 임계터널길이.
Figure 112010029538710-pat00044
는 음속,
Figure 112010029538710-pat00045
는 지역평균온도,
Figure 112010029538710-pat00046
는 압력파의 추가 전파거리이다.
도 5와 같이 개발된 고속철도 차량의 길이가 Ltr 이고, 그 차량의 최고주행 속도가
Figure 112010029538710-pat00047
인 경우, 상기 수학식 2의 관계를 이용하여, 압축파와 팽창파가 중첩되는 임계터널길이 Lcr 를 구할 수 있다.
전술한 바와 같이, 이상적인 중첩을 위하여는 추가 전파거리
Figure 112010029538710-pat00048
가 결정되어야 하는데, 이 추가 전파거리
Figure 112010029538710-pat00049
는 차량 표면에서의 압력변동율(PVR : Pressure Variation Rate)을 수치해석에 의해 평가함으로써 결정할 수 있다. 압력변동율(PVR)은 하기의 수학식 3에 의해 산출된다.
Figure 112010029538710-pat00050
---- [수학식 3]
여기서, T는 차량이 터널을 통과하는 전체시간, P는 차량표면의 압력,
Figure 112010029538710-pat00051
는 차량표면의 평균 압력이다.
도 9는 추가 전파거리
Figure 112010029538710-pat00052
의 함수로서 PVR에서의 변화를 나타낸 선도이다. 높은 PVR은 차량의 표면에서 커다란 압력 변동이 일어나는 것을 나타내며, 낮은 PVR은 차량의 표면에서 작은 압력 변동이 일어나는 것으로서, 낮은 PVR의 값에 대응하는 추가 전파거리
Figure 112010029538710-pat00053
를 결정함으로써 터널내의 압력변동의 감쇄를 효과적으로 얻을 수 있는 것이다.
도 9를 참조하면, 추가 전파거리
Figure 112010029538710-pat00054
가 0m 에서 90m 사이의 범위에서는 추가 전파거리
Figure 112010029538710-pat00055
이 증가함에 따라 PVR은 급격히 감소하며, 추가 전파거리
Figure 112010029538710-pat00056
가 70m - 90m 지점에서 PVR 값이 최소값을 나타내며 현저한 변화는 일어나지 않는다. 최소 PVR값을 얻기 위한 바람직한 추가 전파거리
Figure 112010029538710-pat00057
는 약 80m 이다. 이것은 압축파와 팽창파가 서로 중첩되어서, 커다란 압력변동을 크게 감소시키는 것을 나타낸다. 따라서, 최소 PVR 값을 가지는 추가 전파거리
Figure 112010029538710-pat00058
가 이상적인 중첩을 위한 추가 전파거리로서 이용될 수 있다. 추가 전파거리가 100m를 초과하면, 추가 전파거리가 증가함에 따라 PVR은 다시 가파르게 증가된다.
상기와 같이 추가 전파거리
Figure 112010029538710-pat00059
가 결정되면, 상기 수학식 2를 이용하여, 터널내에서 압축파와 팽창파가 상호 중첩될 수 있는 임계터널길이 Lcr 을 구할 수 있다. 터널(base tunnel)의 길이 Lbase 가 임계터널의 길이 Lcr 보다 짧은 경우, 그 길이 차(Ltotal - duct = Lcr - Lbase)만큼의 더미터널덕트(2', 2")를 도 6과 같이 설치한다. 이때, 설치되는 더미터널덕트(2', 2")의 위치는 실시예1에서 와 마찬가지로 터널입구 또는 출구 어느 쪽도 상관없으며, 터널의 입구 및 출구 양쪽에 나누어 설치할 수도 있다. 고속 철도차량(1)이 통과하는 협소 터널에 더미터널덕트(2', 2")를 적용시키면 전술한 도 2와 같이 차량표면압력에서 압력변동이 현저하게 감쇄되어서, 승객의 이명감이 감소되어 안락감이 향상된다. 따라서, 본 발명의 실시예2에 따라 터널 구조물 형상의 더미터널덕트를 새롭게 개발되는 차량(예를 들어, 고속으로 운행되는 전철 또는 상급 열차)의 길이와 속도에 맞게 적용함으로써, 터널내에서 압축파와 팽창파의 이상적인 상호 중첩을 발생시켜서 터널내부 및 차량표면에서 발생하는 큰 압력변동을 아주 간단하고 효과적으로 줄일 수 있어서, 승객의 이명감을 현저하게 감소시킬 수 있다.
상기 본 발명의 실시예2 따른 더미터널덕트는 터널과 동일한 단면적이며 동일한 형상으로 이루어지며, 예를 들어 콘크리트구조물 또는 철근콘크리트구조물 등을 이용하여 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예2에 따라 더미터널덕트를 설치하는 경우에는 주변의 환경과 잘 조화될 수 있도록 더미터널덕트의 외부에 적절하게 조경공사를 시공할 수 있다.
실시예2에 따른 더미터널덕트(2', 2")의 설치방법은 전술한 실시예1에서와 마찬가지로 도 7에 의해 수행될 수 있으므로, 실시예2에서의 더미터널덕트(2', 2")의 설치방법에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이어서, 본 발명의 실시예2에 따른 더미터널덕트를 사용한 임계 터널에서의 효과를 조사하기 위하여, 터널(base tunnel)을 통과하는 준 고속 열차에 대하여 수치해석이 수행되었다. 수치 모델의 기차 차량의 길이(Ltr)은 200m이고 최대 운행 속도(Vmax)는 180km/h였다. 표1에 기재된 바와 같이, 터널의 길이(Lbase)는 550m 이다. 추가 전파거리(Lw)가 80m로 설정되면, 임계 터널의 길이는 640m로 된다. 따라서, 90m 길이의 더미터널덕트( Lex)가 임계 터널을 위하여 요구된다. 이는 터널의 길이의 16.3%에 불과하다.
Figure 112010029538710-pat00060
 (km/h) 180
Figure 112010029538710-pat00061
 (m) 200
Figure 112010029538710-pat00062
 (m) 550
Figure 112010029538710-pat00063
 (m) 80
Figure 112010029538710-pat00064
 (m) 640
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 임계터널길이(Lcr)는 철도차량(1)의 최대 운행속도(Vmax)와 차량의 길이(Ltr)에 의해 정해진다. 따라서, 속도, 차량길이 및 터널단면적 대비 차량단면적 비율(blockage ratio)를 포함한 다른 변수들의 영향을 조사할 필요가 있다. 도 10은 철도차량(1)이 더미터널덕트가 설치되지 않은 터널(△)을 통과하는 경우와 본 발명에 따른 더미터널덕트가 설치된 터널(□)을 통과하는 경우에 상기 변수들의 영향을 나타낸 것이다. 도 10는 철도차량(1)의 터널 진입속도의 함수로서 최대 압력변동(△Pmax)를 나타낸다. 차량의 터널 진입속도가 160km/h에서 180km/h로 증가됨에 따라, 더미터널덕트가 설치되지 않은 터널(△)의 △Pmax는 874Pa 에서 1023 Pa로 점진적으로 증가된다. 상기 터널에서의 △Pmax는 최대속도 180 km/h에서 얻어진다.
이에 비하여, 더미터널덕트가 설치된 경우(□)에는, 도 10에 도시된 바와 같이 △Pmax가 기존 터널에 비하여 급격하게 감소된다. 더미터널덕트가 설치된 경우(□)에는 최대속도 180km/h에서 최소의 △Pmax인 403 Pa 를 나타낸다. 따라서, 더미터널덕트가 설치된 경우에는 철도차량의 운행속도가 최대속도에 접근함에 따라 압력변동감쇄율(■)이 11%(160km/h) 로부터 60%(180km/h)로 증가됨을 알 수 있다.
상기 본 발명의 실시예2에 따른 더미터널덕트 및 그 설치방법은 새롭게 건설되는 고속철도 또는 고속전철의 노선에도 적용할 수 있다. 이와 같이, 새롭게 건설되는 고속철도 또는 고속전철의 노선의 터널공사에 본 발명의 실시예2에 따른 더미터널덕트 및 그 설치방법을 적용할 경우에 터널 단면적을 보다 작게 건설할 수 있게 되어 건설비용을 대폭적으로 절감할 수 있는 효과가 얻어진다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
1 : 철도차량
2 : 터널
2', 2" : 더미터널덕트

Claims (17)

  1. 고속으로 주행하는 전철 또는 열차의 차량이 터널을 통과할 때 발생하는 큰 압력변동을 감쇄시키기위한 더미터널덕트 설치방법으로서,
    주어진 운행차량길이(Ltr)와 최고주행속도(Vmax)의 조건하에서, 차량의 전두부가 터널 입구로 진입시 발생하는 제1 압축파가 출구부분에서 팽창파로 반사되어 터널 입구로 전파되어 다시 터널 입구부분에서 반사되는 제2 압축파와 차량의 후미부가 터널 입구로 진입시 발생하는 제1 팽창파와 중첩될 수 있는 임계 터널길이(Lcr)를 정하는 단계;
    상기 터널의 길이(Lbase)와 상기 임계터널길이(Lcr)를 비교하는 단계; 및
    상기 터널길이(Lbase)가 상기 임계터널길이(Lcr)보다 짧은 경우에, 상기 임계터널길이(Lcr)와 상기 터널길이(Lbase)의 차(Ltotal-duct)를 더미터널덕트의 길이로 정하는 단계
    를 포함하는 터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 임계터널의 길이(Lcr)는 하기의 수학식 1에 의해 정해지는
    터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법.
    [수학식 1]
    Figure 112012056027142-pat00065

    (여기서,
    Figure 112012056027142-pat00066
    는 차량의 평균 터널진입 속도,
    Figure 112012056027142-pat00067
    은 차량의 길이,
    Figure 112012056027142-pat00068
    은 임계터널길이.
    Figure 112012056027142-pat00069
    는 음속,
    Figure 112012056027142-pat00070
    는 지역평균온도이다.)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 임계터널의 길이(Lcr)는 하기의 수학식 2에 의해 정해지는
    터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법.
    [수학식 2]
    Figure 112012056027142-pat00071

    (여기서,
    Figure 112012056027142-pat00072
    는 차량의 평균 터널진입 속도,
    Figure 112012056027142-pat00073
    은 차량의 길이,
    Figure 112012056027142-pat00074
    은 임계터널길이.
    Figure 112012056027142-pat00075
    는 음속,
    Figure 112012056027142-pat00076
    는 지역평균온도,
    Figure 112012056027142-pat00077
    는 압력파의 추가 전파거리이다.)
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압력파의 추가 전파거리 △Lw 는 터널내의 압력변동율(PVR)의 함수로 되며,
    상기 압력변동율(PVR)은 하기의 수학식 3에 의해 정해지는
    터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법.
    [수학식 3]
    Figure 112012056027142-pat00078

    (여기서, T는 차량이 터널을 통과하는 전체시간, P는 차량표면의 압력,
    Figure 112012056027142-pat00079
    는 차량표면의 평균압력이다.)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 압력파의 추가 전파거리 △Lw 가 상기 압력변동율(PVR)의 최소값에 대응하는 값으로 되는
    터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 압력파의 추가 전파거리 △Lw 가 70m - 90m인
    터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압력파의 추가 전파거리 △Lw 가 80m인
    터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 더미터널덕트가 Ltotal-duct의 길이를 가지고 터널의 입구 또는 출구쪽에 설치되는
    터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법.
  9. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 더미터널덕트가 입구측 및 출구측에 설치되며,
    입구측 더미터널덕트의 길이(△L1)와 출구측 더미터널덕트의 길이(△L2)와의 합이 상기 Ltotal-duct의 길이로 되는
    터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 더미터널덕트 상부에 조경시설을 설치하는
    터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트 설치방법.
  11. 고속으로 주행하는 열차가 터널을 통과할 때 발생하는 큰 압력변동을 감쇄시키기위한 더미터널덕트로서,
    차량의 전두부가 터널 입구로 진입시 발생하는 제1 압축파가 출구부분에서 팽창파로 반사되어 터널 입구로 전파되어 다시 터널 입구부분에서 반사되는 제2 압축파와 차량의 후미부가 터널 입구로 진입시 발생하는 제1 팽창파와 중첩될 수 있도록, 상기 터널의 입구 또는 출구에 설치되는 길이를 가지는
    터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 더미터널덕트의 길이(Ltotal-duct)는
    상기 터널의 길이(Lbase)가 주어진 운행 열차의 길이(Ltr)와 최고 주행속도(Vmax)의 조건하에서, 차량의 전두부가 터널 입구로 진입시 발생하는 제1 압축파가 출구부분에서 팽창파로 반사되어 터널 입구로 전파되어 다시 터널 입구부분에서 반사되는 제2 압축파와 차량의 후미부가 터널 입구로 진입시 발생하는 제1 팽창파와 중첩될 수 있는 임계터널의 길이(Lcr)보다 짧은 경우에, 그 차인 Lcr - Lbase 로 정해지는
    터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 임계터널의 길이(Lcr)는 하기의 수학식 1에 의해 정해지는
    터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트.
    [수학식 1]
    Figure 112010029538710-pat00080

    (여기서,
    Figure 112010029538710-pat00081
    는 차량의 평균 터널진입 속도,
    Figure 112010029538710-pat00082
    은 차량의 길이,
    Figure 112010029538710-pat00083
    은 임계터널길이.
    Figure 112010029538710-pat00084
    는 음속,
    Figure 112010029538710-pat00085
    는 지역평균온도이다.)
  14. 제12항에 있어서,
    상기 임계터널의 길이(Lcr)는 하기의 수학식 2에 의해 정해지는
    터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트.
    [수학식 2]
    Figure 112010029538710-pat00086

    (여기서,
    Figure 112010029538710-pat00087
    는 차량의 평균 터널진입 속도,
    Figure 112010029538710-pat00088
    은 차량의 길이,
    Figure 112010029538710-pat00089
    은 임계터널길이.
    Figure 112010029538710-pat00090
    는 음속,
    Figure 112010029538710-pat00091
    는 지역평균온도,
    Figure 112010029538710-pat00092
    는 압력파의 추가 전파거리이다.)
  15. 제14항에 있어서,
    상기 압력파의 추가 전파거리 △Lw 는 터널내의 압력변동율(PVR)의 함수로 되며,
    상기 압력변동율(PVR)은 하기의 수학식 3에 의해 정해지는
    터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트.
    [수학식 3]
    Figure 112012056027142-pat00105

    (여기서, T는 차량이 터널을 통과하는 전체시간, P는 차량표면의 압력,
    Figure 112012056027142-pat00094
    는 차량표면의 평균압력이다.)
  16. 제15항에 있어서,
    상기 추가 전파거리 △Lw 가 70m - 90m인
    터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 추가 전파거리 △Lw 가 80m인
    터널내 압력변동 감쇄용 더미터널덕트.
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KR100331954B1 (ko) 1999-11-18 2002-04-09 안우희 철도터널 미기압파 저감용 슬릿후드

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논문(2004년 6월)

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