KR102282132B1 - 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도 및 그 시공방법 - Google Patents

Abstract

기존의 자갈궤도 도상용 자갈에 비해 장수명의 고기능성 자갈을 자갈궤도 도상에 배치하여 자갈궤도의 유지관리성을 높일 수 있고, 또한, 고기능성 자갈의 구조 및 형상을 최적화함으로써, 예를 들면, 고기능성 자갈의 모서리는 마모 및 파쇄에 대한 저항성이 높은 둔각을 갖도록 형성되고, 적어도 쇄석자갈 이상의 내마모성이 확보될 수 있는 표면경도를 갖도록 표면 처리함으로써, 도상자갈의 이동 및 회전을 최소화하고 궤도침하를 억제할 수 있으며, 또한, 자갈 유지보수 주기를 연장시킴에 따라 유지보수를 위한 인건비 및 장비비용을 저감시킬 수 있는, 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도 시공방법이 제공된다.

Description

고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도 및 그 시공방법 {BALLAST TRACK USING HIGH-FUNCTIONAL GRAVEL, AND CONSTRUCTION FOR THE SAME}

본 발명은 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 철도용 자갈궤도의 보수 또는 신설시 자갈궤도 도상에 기존의 자갈궤도 도상용 자갈의 일부를 고기능성 자갈로 대체하여 배치하는, 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도 및 그 시공방법에 관한 것이다.

일반적으로, 열차 등이 주행하게 되는 궤도(Track)는 노반 위에 도상을 마련하고, 그 도상 위에 침목 및 레일을 배치한 것이 널리 알려져 있다. 여기서, 도상은 레일 및 침목으로부터 전달되는 열차 하중을 넓게 분산시켜 노반에 전달하고, 침목을 소정 위치에 고정시키는 역할을 하는 궤도 재료로서, 자갈(또는 쇄석)이나 콘크리트가 사용된다.

이러한 궤도의 구조는, 노반 위에 형성한 도상에 침목을 배열하고, 그 위에 한 쌍의 레일을 일정 간격으로 평행하게 부착하는 것이 일반적이다. 이러한 궤도를 구성하는 도상으로는 밸러스트(Ballast), 슬라브(Slab) 등이 있으며, 노선의 다양한 조건을 고려하여 선정되고 있다. 특히, 자갈, 쇄석 등의 밸러스트를 이용한 밸러스트 도상 궤도가 널리 알려져 있다. 이러한 밸러스트를 이용한 도상은 유도상궤도로서, 그 성질상 무거운 차량의 주행을 합리적으로 지지하면서 경제적으로도 우수하기 때문에, 오랜 세월동안 채용되어 오고 있다. 이러한 자갈, 쇄석 등의 밸러스트는 침목을 확실하게 유지하고, 열차로부터 레일 및 침목을 거쳐 전해지는 하중을 노반에 균등하게 분산시키며, 궤도에 탄성을 갖게 하며, 댐핑 등의 보수 작업을 용이하게 실시할 수 있어야 하고, 궤도의 배수를 좋게 하여 분니나 잡초의 발생을 방지하는 등의 기능을 갖고 있다.

도 1a는 종래의 기술에 따른 자갈도상 궤도의 단면도이고, 도 1b는 종래의 기술에 따른 자갈도상 궤도의 도상자갈의 손상 형태를 설명하기 위한 도면이다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 자갈도상 궤도(10)는 강화노반(11) 상에 형성되며, 철도 차륜으로부터 재하된 하중이 레일(14)과 침목(13)을 통하여 자갈도상(12)으로 전달되고, 이러한 자갈도상(12)에서 각 도상입자의 접촉점을 통하여 하중이 분산된다.

이때, 자갈도상(12)의 기능은 침목(13) 저면의 압력을 균등하게 강화노반(11)에 분포시키는 것으로서, 침목(13)의 길이방향의 도상저항력을 확보하고, 이러한 침목(13)을 탄성적으로 지지하여 충격력을 완화함으로써, 선로의 파괴를 경감시킬 수 있다.

또한, 이러한 자갈도상(12)은 침목(13)을 소정 위치에 고정시킬 수 있고, 궤도틀림을 정정할 수 있고, 침목의 갱환 작업을 용이하게 수행할 수 있다.

구체적으로, 자갈도상(12)을 형성하는 도상자갈의 재료는 주로 깬 자갈이 사용되며, 예를 들면, 경암을 쇄석기로 쇄석한 것으로서 입경이 10~65㎜의 입도분포가 적당히 혼합되어 있는 것이 된다. 이때, 도상자갈의 두께는 침목(13)의 형상치수, 침목(13)의 간격, 도상재료의 하중분산성, 열차하중의 크기 및 노반의 지지력에 의해 결정될 수 있다.

또한, 이러한 도상자갈은 열차의 동하중에 의해 손상이 발생하며, 예를 들면 이러한 도상자갈의 손상으로서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 압밀, 측방유동, 노반관입, 세립화 등이 발생할 수 있다. 특히, 압밀과 측방유동은 열차주행에 의해 발생하는 진동에 의한 것으로, 자갈도상 궤도의 궤도틀림의 원인이 되어 빈번한 유지보수가 필요하게 된다는 문제점이 있다.

또한, 이러한 자갈도상 궤도의 손상 원인은 여러 가지가 있으나 동적하중에 의한 진동발생과 이러한 진동발생에 기인하는 도상자갈의 침하 및 도상자갈의 측방유동, 및 우수에 의한 노반의 연약화 영향이 가장 크다.

종래의 기술에 따른 자갈도상 궤도는 건설 당시의 단면 형상을 지속적으로 유지할 수 있도록 보존 및 관리되어야 하지만, 열차운행시 진동으로 인한 도상이완 및 자갈비산, 유지보수요원의 선로내 출입으로 인한 도상어깨 단면 붕괴, 선로변의 집수구 또는 배수로 등으로의 자갈유입으로 인한 손실 등으로 지속적인 도상정리 및 자갈보충 등을 시행하여 도상단면 유지 및 저항력을 확보하도록 상시 관리하여야 하는 문제점이 있다.

한편, 최근 콘크리트도상을 이용한 고속철도 시공이 활발히 진행되고 있음에도 불구하고 자갈도상 재료는 기존 일반철도 및 고속철도 구간에 광범위하게 사용되어 왔다. 자갈도상은 열차 하중에 대한 회복탄성거동을 유발하여 궤도하부로의 하중전이를 용이하게 하는 역할을 한다. 하지만, 반복되는 열차하중에 의해서 자갈도상이 미세 입자로 파쇄될 경우, 우수침투 등과 동반하여 침목하부에 분니 현상을 유발함으로써 잦은 유지보수 작업을 요구하게 된다.

국내의 경우, 고속철도 자갈도상 보강을 위해 주로 자갈 치환 및 다짐 이후에 도상안정제를 포설하여 안정화를 확보하고 있는 실정이며, 최근 다양한 소재로 제작된 토목섬유를 이용하여 자갈도상을 보강하고자 하는 연구가 진행되고 있다.

철도의 자갈도상 궤도에 대량으로 사용 중인 자갈은 대용량의 반복적인 열차하중으로 인하여 지속적으로 마모 및 파쇄가 발생하게 된다. 이에 따라, 열차의 주행중에 지지력을 확보하고 충분한 승차감을 확보하기 위해서는 손상된 자갈에 대한 부분 치환 및 전체 교환이 필요한 실정이다.

또한, 해외철도와 국내 기존선 대부분, 2004년 개통된 경부고속 철도 1단계 구간(광명~대구)은 자갈궤도로 건설되어 운행되고 있다. 또한, 국내 자갈궤도 연장은 7,708km(2016년 기준)로, 전체 궤도 연장 중 86%를 점유하고 있다.

도 2는 자갈 마모 및 파쇄 형태를 예시하는 도면이다.

철도에 사용되는 일반자갈의 경우, 도 2의 a) 내지 c)에 도시된 바와 같이, 예각 형상의 구조에 대용량의 반복적인 열차하중이 작용하는 경우, 많은 마모와 파쇄가 발생하고 있다.

도 3은 도상자갈 이동량분석 프로그램을 예시하는 도면이고, 도 4는 자갈 이동량에 대한 벡터도이다.

도 3에 도시된 도상자갈 이동량분석 프로그램을 이용하여, 열차의 반복적인 하중재하시 도상자갈의 이동량을 평가한 결과에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 하중 재하점 중앙 직하부에서는 자갈이 직하 방향으로 침하하는 다짐 압축현상을 보이고, 좌측은 다짐 압축과 시계방향의 회전이 합성된 전단변형을 보이며, 우측은 다짐 압축과 반시계방향의 회전이 합성된 전단변형 거동을 보인다.

이와 같은 자갈의 마모, 파쇄와 이동, 회전 등에 의하여 자갈궤도가 열차하중을 충분히 지지할 수 없게 되어 열차가 운행하지 않는 시간인 야간에 대규모 장비와 인력을 투입하여 부분 치환 및 전체 교환을 실시하고 있고, 이를 위한 막대한 예산이 투입되고 있는 실정이다.

또한, 프랑스, 스페인, 일본 등 해외의 경우, 철도 자갈궤도에 필요한 품질의 자갈 확보가 어려워 쇄석자갈 생산 단가가 국내와 비교하여 5배 이상 고가인 것으로 파악되고 있다. 국내의 경우에도 유지보수가 어렵거나 비용이 많이 소요되는 분기기 구간 등은 초기 건설 이후 장기간 유지보수가 진행되지 않음으로 인하여 열차 탈선 등 안전운행 상의 문제가 발생된 바 있다. 이에 따라 기존의 자갈을 대체할 필요성이 증가하고 있는 실정이다.

대한민국 등록실용신안번호 제20-194080호(출원일:2000년 3월 28일), 고안의 명칭: "건축폐기물을 이용한 인공자갈" 대한민국 등록특허번호 제10-1702122호(출원일: 2015년 6월 22일), 발명의 명칭: "인공경량골재의 제조방법" 대한민국 공개특허번호 제2014-122087호(공개일: 2014년 10월 17일), 발명의 명칭: "링크부재에 의해 폐회로의 형태로 연결된 연쇄식 철도 자갈도상용 골재 및 이를 포함하는 철도 자갈도상" 대한민국 공개특허번호 제2014-124089호(공개일: 2014년 10월 24일), 발명의 명칭: "해안 양빈 시공용 친환경 구조체를 사용한 친환경 양빈 시공 방법"

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 기존의 자갈궤도 도상용 자갈에 비해 장수명의 고기능성 자갈을 자갈궤도 도상에 배치하여 자갈궤도의 유지관리성을 높일 수 있는, 고기능성 자갈 및 이를 이용한 자갈궤도 시공방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 고기능성 자갈의 구조 및 형상을 최적화함으로써 도상자갈의 이동 및 회전을 최소화하고 궤도침하를 억제할 수 있는, 고기능성 자갈 및 이를 이용한 자갈궤도 시공방법을 제공하기 위한 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도는, 내마모성 및 내파쇄성이 우수한 형상 및 입도, 단위중량을 갖도록 형성되며, 노반 상에 설치될 침목 하부의 제1 고기능성 자갈 포설영역 및 제2 고기능성 자갈 포설영역에 포설되어, 전체 도상자갈의 이동 및 회전을 구속하는 고기능성 자갈; 상기 고기능성 자갈 상부에 배치되는 침목; 상기 고기능성 자갈이 포설된 영역을 제외한 영역에 포설되는 쇄석자갈; 상기 침목에 결합하는 레일 체결장치; 및 상기 레일 체결장치에 종방향 체결되는 레일을 포함하되, 상기 고기능성 자갈은 적어도 쇄석자갈 이상의 내마모성이 확보될 수 있는 표면경도를 갖고, 상기 고기능성 자갈의 모서리는 마모 및 파쇄에 대한 저항성이 높은 둔각을 갖도록 형성되며; 상기 제1 고기능성 자갈 포설영역은 열차하중의 이동경로인 상기 침목의 직하부이고, 상기 제2 고기능성 자갈 포설영역은 상기 제1 고기능성 자갈 포설영역 하부에서 열차하중이 분산되는 20~50°범위의 하중분산각으로 형성되며, 상기 제1 및 제2 고기능성 자갈 포설영역은 연접되어 상호 일체화된 구간을 형성하는 것을 특징으로 한다.

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여기서, 상기 고기능성 자갈은 정육면체형 고기능성 자갈, 육각기둥형 고기능성 자갈 또는 모딴 정육면체형 고기능성 자갈일 수 있다.

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여기서, 상기 고기능성 자갈은 콘크리트, 시멘트 복합재료 또는 고성능 폴리머를 사용하여 적어도 쇄석자갈 이상의 강도, 단위중량, 내마모성 및 내파쇄성을 갖도록 제작된다.

한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도 시공방법은, a) 시멘트, 물, 잔골재, 강섬유 및 혼화재를 배합하여 시멘트 페이스트를 형성하는 단계; b) 다수의 고기능성 자갈을 동시에 형성하기 위한 주형을 설치하는 단계; c) 상기 주형 내에 시멘트 페이스트를 타설 및 양생하여 고기능성 자갈을 형성하는 단계; d) 자갈궤도의 침목 하부의 제1 고기능성 자갈 포설영역 및 제2 고기능성 자갈 포설영역에 상기 고기능성 자갈을 포설하는 단계; e) 상기 고기능성 자갈 상에 침목을 배치하고 쇄석자갈을 포설하는 단계; 및 f) 상기 침목 상에 레일체결장치 및 레일을 설치하여 자갈궤도를 완성하는 단계를 포함하되, 상기 고기능성 자갈은 내마모성 및 내파쇄성이 우수한 형상 및 입도, 단위중량을 갖도록 형성되어 전체 도상자갈의 이동 및 회전을 구속하고, 상기 고기능성 자갈의 모서리는 마모 및 파쇄에 대한 저항성이 높은 둔각을 갖도록 형성되며; 상기 제1 고기능성 자갈 포설영역은 열차하중의 이동경로인 상기 침목의 직하부이고, 상기 제2 고기능성 자갈 포설영역은 상기 제1 고기능성 자갈 포설영역 하부에서 열차하중이 분산되는 20~50°범위의 하중분산각으로 형성되며, 상기 제1 및 제2 고기능성 자갈 포설영역은 연접되어 상호 일체화된 구간을 형성하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 c) 단계의 고기능성 자갈은 적어도 쇄석자갈 이상의 내마모성이 확보될 수 있는 표면경도를 갖도록 코팅제를 도포하여 표면 처리하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 철도용 자갈궤도의 보수 또는 신설시, 기존의 자갈궤도 도상용 자갈에 비해 장수명의 고기능성 자갈을 자갈궤도 도상에 배치하여 자갈궤도의 유지관리성을 높일 수 있다.

본 발명에 따르면, 고기능성 자갈의 구조 및 형상을 최적화함으로써, 예를 들면, 고기능성 자갈의 모서리는 마모 및 파쇄에 대한 저항성이 높은 둔각을 갖도록 형성되고, 적어도 쇄석자갈 이상의 내마모성이 확보될 수 있는 표면경도를 갖도록 표면 처리함으로써, 도상자갈의 이동 및 회전을 최소화하고 궤도침하를 억제할 수 있다.

본 발명에 따르면, 자갈 유지보수 주기를 연장시킴에 따라 유지보수를 위한 인건비 및 장비비용을 저감시킬 수 있다.

도 1a는 종래의 기술에 따른 자갈도상 궤도의 단면도이고, 도 1b는 종래의 기술에 따른 자갈도상 궤도의 도상자갈의 손상 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 자갈 마모 및 파쇄 형태를 예시하는 도면이다.
도 3은 도상자갈 이동량분석 프로그램을 예시하는 도면이다.
도 4는 자갈 이동량에 대한 벡터도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도에서 고기능성 자갈의 배치 위치를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도에서 고기능성 자갈을 부분적으로 배치하는 것을 예시하는 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 각각 고기능성 자갈의 구조를 예시하는 도면들이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도 시공방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 10a 내지 도 10e는 각각 도 9에 도시된 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도 시공방법을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

[고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도(100)]

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도를 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도에서 고기능성 자갈의 배치 위치를 구체적으로 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도에서 고기능성 자갈을 부분적으로 배치하는 것을 예시하는 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도(100)는, 열차의 주행 중 지지력을 확보하고 충분한 승차감을 확보하도록 손상된 자갈에 대한 부분 치환 및 전체 교환할 수 있는 장수명의 고성능 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도로서, 노반(110), 쇄석자갈(120), 침목(130), 고기능성 자갈(140), 레일 체결장치(150) 및 레일(160)을 포함하며, 철도용 자갈궤도의 보수 또는 신설시 자갈궤도 도상에 기존의 자갈궤도 도상용 쇄석자갈(120)의 일부를 고기능성 자갈(140)로 대체할 수 있다.

고기능성 자갈(140)은 내마모성 및 내파쇄성이 우수한 형상 및 입도, 단위중량을 갖도록 형성되며, 노반(110) 상에 설치될 침목(130) 하부의 제1 고기능성 자갈 포설영역 및 제2 고기능성 자갈 포설영역에 포설되며, 상기 고기능성 자갈(140)은 전체 도상자갈의 이동 및 회전을 구속할 수 있다. 예를 들면, 상기 고기능성 자갈(140)은 분기기 구간에 포설되는 것이 바람직하다.

침목(130)은 상기 고기능성 자갈(140) 상부에 배치되며, 쇄석자갈(120)은 상기 고기능성 자갈(140)이 포설된 영역을 제외한 영역에 포설된다.

레일 체결장치(150)는 상기 침목(130)에 결합하고, 레일(160)은 상기 레일 체결장치(150)에 종방향 체결된다.

구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1 고기능성 자갈 포설영역은 열차하중의 이동경로인 상기 침목(130)의 직하부이고, 상기 제2 고기능성 자갈 포설영역은 상기 제1 고기능성 자갈 포설영역 하부에서 열차하중이 분산되는 소정의 하중분산각으로 형성되며, 상기 제1 및 제2 고기능성 자갈 포설영역은 연접되어 상호 일체화된 구간을 형성할 수 있다. 이때, 상기 제2 고기능성 자갈 포설영역의 소정의 하중분산각은 20~50° 범위일 수 있다.

또한, 상기 고기능성 자갈(140)의 모서리는 마모 및 파쇄에 대한 저항성이 높은 둔각을 갖도록 형성되며, 상기 고기능성 자갈(140)은 정육면체형 고기능성 자갈(140a), 육각기둥형 고기능성 자갈 또는 모딴 정육면체형 고기능성 자갈(140c)일 수 있다. 또한, 상기 고기능성 자갈(140)은 적어도 쇄석자갈(120) 이상의 내마모성이 확보될 수 있는 표면경도를 갖도록 표면 처리한 것이 바람직하다. 일반적인 도상자갈은 그 형태가 정육면체가 바람직하고, 내측마찰력을 높이면서 내부인터로킹에 유리하도록 해야 한다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 고기능성 자갈(140)의 모서리는 마모 및 파쇄에 대한 저항성이 높은 둔각을 갖도록 형성되고, 적어도 쇄석자갈(120) 이상의 내마모성이 확보될 수 있는 표면경도를 갖도록 표면 처리한다.

또한, 상기 고기능성 자갈(140)은 콘크리트, 시멘트 복합재료 또는 고성능 폴리머를 사용하여 적어도 쇄석자갈(120) 이상의 강도, 단위중량, 내마모성 및 내파쇄성을 갖도록 제작된다.

이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도(100)의 경우, 열차하중의 이동 경로인 침목 직하부(제1 고기능성 자갈 포설영역)와 그 하부에서 20~50° 내외의 하중분산각으로 형성되는 범위(제2 고기능성 자갈 포설영역)에 내마모성 및 내파쇄성이 우수한 형상 및 입도, 단위중량의 고기능성 자갈을 배치함으로써, 전체 도상자갈의 이동 및 회전을 구속하는 효과를 발휘할 수 있다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 현장 여건에 따라 부분적으로 고기능성 자갈을 배치하거나, 또는 전술한 바와 같이, 제1 및 제2 고기능성 자갈 포설영역에 전체자갈을 고기능성 자갈(140)로 대체할 수 있다.

한편, 도 8a 내지 도 8c는 각각 고기능성 자갈의 구조를 예시하는 도면들로서, 도 8a는 정육면체형 고기능성 자갈(140a)의 형상을 예시하며, 도 8b는 육각기둥형 고기능성 자갈(140b)의 형상을 예시하고, 도 8c는 모딴 정육면체형 고기능성 자갈(140c)의 형상을 예시하는 도면이다.

도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고기능성 자갈(140)은 주변 자갈과 접촉하는 모서리 부분이 둔각을 가지며, 그 크기와 형상, 단위중량 및 표면 거칠기를 변화시켜 침목을 통하여 가해지는 압력을 자갈 내부에 균등하게 분산시킬 수 있고, 이에 따라, 고기능성 자갈(140) 입자의 마모와 파쇄를 최소화하는 구조 및 형상을 갖도록 제작된다.

예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 고기능성 자갈(140)의 표면은 충분한 마찰 저항력을 확보할 수 있는 표면경도를 갖도록 하고, 시멘트와 레진 등 재료가 목표로 하는 일정 수준의 강도를 확보하기 위하여 다양한 강화재료, 예를 들면, PE, PP, 다양한 종류의 보강섬유, 슬래그 등을 혼합하여 자연자갈과 동등 수준 이상의 강도, 내마모성 및 내파쇄성, 중량이 확보되도록 배합하여 제작한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 고기능성 자갈(140)을 침목(130)을 통하여 열차하중이 전달되는 기존 자갈층의 중앙 상층부, 즉, 침목 직하부 공간에 배치함으로써 지지력을 확보하고, 쇄석자갈(120)의 이동 및 회전을 억제하여 자갈 입자의 마모 및 파쇄에 의한 자갈궤도(100)의 침하를 최소화함으로써 자갈궤도의 유지보수 생력화가 가능하게 한다. 특히, 유지보수가 어려운 분기기와 같은 구간 등에서 유지보수 주기 연장을 통한 유지보수 비용 저감 및 열차 주행안전성을 향상시킬 수 있다.

또한, 가벼운 자갈의 자갈비산 및 자갈이완 등 문제 발생개소에 대한 단위중량을 증가시킴으로써 자갈도상 부설비용을 절감시킬 수 있고, 유지보수 노력 및 비용을 최소화할 수 있다. 또한, 침목(130) 하부에 다양한 하중 경감장치(침목 패드 등) 등과 혼용하여 자갈의 동적거동을 억제시킬 수 있다.

[고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도 시공방법]

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도 시공방법을 나타내는 동작흐름도이고, 도 10a 내지 도 10e는 각각 도 9에 도시된 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도 시공방법을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도 시공방법은, 먼저, 시멘트, 물, 잔골재, 강섬유 및 혼화재를 배합하여 시멘트 페이스트를 형성한다(S110). 구체적으로, 도 10a에 도시된 바와 같이, 시멘트, 물, 잔골재, 강섬유 및 혼화재를 배합하여 시멘트 페이스트를 형성할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.

다음으로, 다수의 고기능성 자갈(140)을 동시에 형성하기 위한 주형(200)을 설치한다(S120). 구체적으로, 도 10b에 도시된 바와 같이, 주형(200)을 설치하여 시멘트 페이스트를 주입하여 다수의 고기능성 자갈(140)을 동시에 형성할 수 있고, 이때, 상기 주형(200)의 형상은 상기 고기능성 자갈(140)의 형상에 대응하여 정육면체형 또는 육각기둥형일 수 있다.

다음으로, 상기 주형(200) 내에 시멘트 페이스트를 타설 및 양생하여 고기능성 자갈(140)을 형성한다(S130). 또한, 상기 고기능성 자갈(140)은 콘크리트, 시멘트 복합재료 또는 고성능 폴리머를 사용하여 적어도 쇄석자갈(120) 이상의 강도, 단위중량, 내마모성 및 내파쇄성을 갖도록 제작될 수 있다. 예를 들면, 상기 고기능성 자갈(140)은 시멘트와 레진 등 재료가 목표로 하는 일정 수준의 강도를 확보하기 위하여 다양한 강화재료, 예를 들면, PE, PP, 다양한 종류의 보강섬유, 슬래그 등을 혼합하여 자연자갈과 동등 수준 이상의 강도, 내마모성 및 내파쇄성, 중량이 확보되도록 배합하여 제작할 수 있다.

다음으로, 적어도 쇄석자갈(120) 이상의 내마모성이 확보될 수 있는 표면경도를 갖도록 상기 고기능성 자갈(140)을 표면 처리한다(S140).

다음으로, 자갈궤도의 기설정 영역, 예를 들면, 제1 고기능성 자갈 포설영역 및 제2 고기능성 자갈 포설영역에 상기 고기능성 자갈(140)을 포설한다(S150). 구체적으로, 상기 제1 고기능성 자갈 포설영역은 열차하중의 이동경로인 상기 침목(130)의 직하부이고, 상기 제2 고기능성 자갈 포설영역은 상기 제1 고기능성 자갈 포설영역 하부에서 열차하중이 분산되는 소정의 하중분산각으로 형성되며, 상기 제1 및 제2 고기능성 자갈 포설영역은 연접되어 상호 일체화된 구간을 형성할 수 있고, 이때, 상기 제2 고기능성 자갈 포설영역의 소정의 하중분산각은 20~50° 범위일 수 있다. 또한, 상기 고기능성 자갈(140)의 모서리는 마모 및 파쇄에 대한 저항성이 높은 둔각을 갖도록 형성되는 것이 바람직하며, 상기 고기능성 자갈(140)은 정육면체형 고기능성 자갈(140a), 육각기둥형 고기능성 자갈 또는 모딴 정육면체형 고기능성 자갈(140c)일 수 있다. 특히, 상기 고기능성 자갈(140)은 분기기 구간에 포설되는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 고기능성 자갈(140) 상에 침목(130)을 배치하고 쇄석자갈(120)을 포설한다(S160).

다음으로, 상기 침목(130) 상에 레일체결장치(150) 및 레일(160)을 설치하여 자갈궤도(100)를 완성한다(S170).

결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 자갈입자의 열화, 예를 들면, 마모, 파쇄 또는 비산 등을 최소화함에 따라 자갈궤도의 유지보수 비용을 저감시킬 수 있고, 또한, 궤도 지지성능 개선으로 열차 주행 안전성을 향상시킬 수 있으며, 채취 자갈 사용량 감소로 인한 자연 파괴를 친환경적으로 최소화시킬 수 있다.

또한, 자갈도상 유지보수로 인한 서행 운행을 최소화할 수 있고, 자갈 운반비용이 높거나 자갈 확보가 어려운 개소에서의 철도 건설 시 활용할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도
110: 노반
120: 쇄석자갈
130: 침목
140: 고기능성 자갈
150: 레일 체결장치
160: 레일
200: 주형

Claims (14)

1. 내마모성 및 내파쇄성이 우수한 형상 및 입도, 단위중량을 갖도록 형성되며, 노반(110) 상에 설치될 침목(130) 하부의 제1 고기능성 자갈 포설영역 및 제2 고기능성 자갈 포설영역에 포설되어, 전체 도상자갈의 이동 및 회전을 구속하는 고기능성 자갈(140);
   상기 고기능성 자갈(140) 상부에 배치되는 침목(130);
   상기 고기능성 자갈(140)이 포설된 영역을 제외한 영역에 포설되는 쇄석자갈(120);
   상기 침목(130)에 결합하는 레일 체결장치(150); 및
   상기 레일 체결장치(150)에 종방향 체결되는 레일(160)을 포함하되,
   상기 고기능성 자갈(140)은 적어도 쇄석자갈(120) 이상의 내마모성이 확보될 수 있는 표면경도를 갖고, 상기 고기능성 자갈(140)의 모서리는 마모 및 파쇄에 대한 저항성이 높은 둔각을 갖도록 형성되며;
   상기 제1 고기능성 자갈 포설영역은 열차하중의 이동경로인 상기 침목(130)의 직하부이고,
   상기 제2 고기능성 자갈 포설영역은 상기 제1 고기능성 자갈 포설영역 하부에서 열차하중이 분산되는 20~50°범위의 하중분산각으로 형성되며, 상기 제1 및 제2 고기능성 자갈 포설영역은 연접되어 상호 일체화된 구간을 형성하는 것을 특징으로 하는 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 고기능성 자갈(140)은 정육면체형 고기능성 자갈(140a), 육각기둥형 고기능성 자갈 또는 모딴 정육면체형 고기능성 자갈(140c)인 것을 특징으로 하는 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 고기능성 자갈(140)은 콘크리트, 시멘트 복합재료 또는 고성능 폴리머를 사용하여 적어도 쇄석자갈(120) 이상의 강도, 단위중량, 내마모성 및 내파쇄성을 갖도록 제작된 것을 특징으로 하는 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도.
8. a) 시멘트, 물, 잔골재, 강섬유 및 혼화재를 배합하여 시멘트 페이스트를 형성하는 단계;
   b) 다수의 고기능성 자갈(140)을 동시에 형성하기 위한 주형(200)을 설치하는 단계;
   c) 상기 주형(200) 내에 시멘트 페이스트를 타설 및 양생하여 고기능성 자갈(140)을 형성하는 단계;
   d) 자갈궤도의 침목(130) 하부의 제1 고기능성 자갈 포설영역 및 제2 고기능성 자갈 포설영역에 상기 고기능성 자갈(140)을 포설하는 단계;
   e) 상기 고기능성 자갈(140) 상에 침목(130)을 배치하고 쇄석자갈(120)을 포설하는 단계; 및
   f) 상기 침목(130) 상에 레일체결장치(150) 및 레일(160)을 설치하여 자갈궤도(100)를 완성하는 단계를 포함하되,
   상기 고기능성 자갈(140)은 내마모성 및 내파쇄성이 우수한 형상 및 입도, 단위중량을 갖도록 형성되어 전체 도상자갈의 이동 및 회전을 구속하고, 상기 고기능성 자갈(140)의 모서리는 마모 및 파쇄에 대한 저항성이 높은 둔각을 갖도록 형성되며;
   상기 제1 고기능성 자갈 포설영역은 열차하중의 이동경로인 상기 침목(130)의 직하부이고,
   상기 제2 고기능성 자갈 포설영역은 상기 제1 고기능성 자갈 포설영역 하부에서 열차하중이 분산되는 20~50°범위의 하중분산각으로 형성되며, 상기 제1 및 제2 고기능성 자갈 포설영역은 연접되어 상호 일체화된 구간을 형성하는 것을 특징으로 하는 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도 시공방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 c) 단계의 고기능성 자갈(140)은 적어도 쇄석자갈(120) 이상의 내마모성이 확보될 수 있는 표면경도를 갖도록 코팅제를 도포하여 표면 처리하는 것을 특징으로 하는 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도 시공방법.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 제8항에 있어서,
    상기 고기능성 자갈(140)은 정육면체형 고기능성 자갈(140a), 육각기둥형 고기능성 자갈 또는 모딴 정육면체형 고기능성 자갈(140c)인 것을 특징으로 하는 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도 시공방법.
14. 제8항에 있어서,
    상기 d) 단계에서 상기 고기능성 자갈(140)은 분기기 구간에 포설되는 것을 특징으로 하는 고기능성 자갈을 이용한 자갈궤도 시공방법.

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