2014 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2014A387

수도권광역급행철도 A 라인 GTX 차량의 기밀도 요구성능 연구

Study on the Required Air-tightness Performance of Passenger Train Operated in the

A Line of GTX Network

홍석우*†, 윤수환**, 조용현**, 권혁빈***

Seok Woo Hong*†, Su-hwan Yun**, Yong-hyeon Cho**, Hyeok Bin Kwon***

Abstract GTX passenger train is planning to operated as an intercity mass transit railway system with maximum running speed of 180km/h (maximum design speed 200km/h) in the deep underground tunnel network(A line is about 74.8km). High speed train maintains the air-tightness to shut off HVAC system from the pressure transients in tunnel. However, GTX operation environment need continuous ventilation to control indoor air quality of passenger car and thus some difficulty is expected to preserve air-tightness performance. With a careful consideration of the real operation environment of GTX A line, pressure transients in tunnel and passenger car is predicted using advanced CFD technology and the required air-tightness of car is predicted as 3 second and 6 second respectively in the single track and double track tunnel to prevent passenger’s aural discomfort. The result of this study is expected as useful information to develop various solutions improving air-tightness of GTX passenger car. Keywords : GTX, Air-tightness, Aural discomfort, Intercity railway system

초 록 GTX 차량은 대심도 지하터널구간(A라인 74.8km)을 최고 180km/h(설계속도 200km/h)로 운행하는 수도권 출퇴근 교통수단으로 계획 중이며 승객의 승차감 향상을 위해 객실의 공기 질 관리와 함께 압력변동의 크기를 허용기준 이하로 유지하는 것이 중요하다. 기존 고속철도 차량이 터널구간에서 공조시스템을 외부와 차단하여 기밀도 성능을 유지한 것과 달리 GTX 운영구간에서는 연속적인 환기를 하여야 하므로 차량의 기밀성능을 유지하는 데 어려움이 예상된다. 이에 수도권광역급행철도 A라인의 실제 운영환경을 시뮬레이션으로 모사하여 터널 및 객실의 압력변동을 예측해본 결과 이명감 방지를 위한 차량의 기밀도 요구성능은 복선구간에서 3초 이상, 단선구간에서 6초 이상으로 분석되었다. 본 연구의 결과는 향후 GTX 차량의 기밀도 성능 확보를 위한 다양한 기술적 대안들을 검토하는데 있어 유용한 자료로 활용될 것으로 기대한다.

주요어 : GTX, 기밀도, 이명감, 수도권광역급행철도

1. 서 론

수도권광역급행철도는 출퇴근 시간대에 많은 시민이 이용하게 될 운송수단으로 계획 중이며

대심도 지하터널 구간을 차량이 최고 운영속도 180km/h로 가속과 감속을 반복하며 연속적으로

운행하여야 하므로 객실의 공기 질 관리 외에 압력변동 크기를 조절하여 이명감 방지 등 승객

† 교신저자: ㈜에프엔에스이엔지 (sky3walker@naver.com)

* ㈜에프엔에스이엔지 ** 한국철도기술연구원 고속철도연구본부 *** 한국교통대학교 교통대학원 교통시스템공학과

의 쾌적성을 관리하는 것이 매우 중요하다. KTX 고속철도 차량은 터널구간 진입 전 차량의

공조시스템(HVAC System)을 차단하여 터널 내 압력변동이 객실 내로 전달되지 않도록

기밀성능(산천 18초 이상)을 유지할 수 있었으나 GTX 차량의 운영환경은 전 구간 터널로

구성되어 일부 단선구간을 제외하고는 공조시스템을 차단할 수 없는 조건이다. 이에 차량의

기밀도 성능 유지에 어려움이 예상되는 바 객실압력변동 기준을 충족할 수 있는 기밀도의

요구 성능을 도출하고 이를 바탕으로 여러 가지 기술적 대안을 마련할 수 있도록 하여야 한다.

기존 연구사례에서 Hong[1]은 한국철도기술연구원의 지원을 받아 수행한 기술보고서에서 GTX

차량 기밀도 요구성능을 운영조건에 따라 3~8초로 제시한 바 있으며, Choi[2]는 GTX차량의

운영조건에서 공기역학적 특성과 객실압력변동을 관찰하여 열차가 환기구를 통과하는 순간

압력변동이 순간적으로 커지는 현상을 관찰하였다. 기존 연구는 A라인의 실제 운영환경과는

다소 상이한 조건으로 검토한 바 터널의 단면 변화와 환기구의 위치, 그리고 차량의 운전

시격 등을 종합하여 보다 현실적인 조건으로 고려하여 시뮬레이션 결과를 도출해야 할 필요가

있다. 본 연구에서는 현재 계획 중인 A라인(74.8km)의 전용구간(킨텍스~삼성 37km)을 검토

대상으로 실제 예상되는 운영환경을 조사하여 첨두시와 비첨두시 차량의 운전 시격과 함께

터널의 환기시스템 운영 조건을 고려하였다. 설계최고속도 200km/h 주행조건에서 역사 간 가,

감속 주행패턴을 반영하여 터널 압력변동과 객실 압력변동을 예측하였으며, 본 결과로부터

복선구간과 단선구간에서의 차량의 기밀도 요구성능을 도출하였다.

2. 본 론

2.1 수도권광역급행철도 A라인 운영환경

터널의 구간연장과 정거장 및 환기구의 위치는 Fig.1 과 같이 단순화하였으며 국토부의 경기

도 예비타당성 조사결과를 기초로 민간투자사업계획 제안서를 참조하여 분석하였다. 계획된 A

라인은 킨텍스~동탄 구간 총 연장 74.8km의 터널 네트워크로 구성되어 있으며 한강 하저구간

과 수서역사 이후의 GTX 전용라인 분기부에서는 단선 터널로 계획되어 있다.

Table 1 Operating conditions

Item Operating condition Information

Tunnel cross-sectional area

Double track tunnel(m2) 65.06

Single track under river(m2) 34.43

Ventilation Shaft Max. interval(km) 2.5

Blast damper(m2) 20

Train traveling

Design max. speed 200

Operating max. speed 180

Acceleration/Deceleration(km/h/s) 2 / -3

Traveling interval(min) Peak 5 / Normal 10~15

Train Length(m) Car 23.5, Train 141m

Fig. 1 Simplified Model of tunnel network and ventilation shaft of GTX A line

본 연구의 검토대상으로 Fig.1에 나타낸 바와 같이 킨텍스~삼성 37km 전용구간을 선정하였고

해당구간 환기구의 상세 제원은 제시된 바 없으므로 공용구간인 수서~동탄 구간의 환기구 제

원을 조사하여 반영하였다. GTX 기본계획에 따른 터널의 내공단면적은 현재 결정된 것이 아니

지만 조사자료에 근거하여 복선터널 구간의 내공단면적은 65.06m2을 적용하였고 한강 하저구간

의 단선병렬 터널 내공단면적은 34.43m2으로 적용하였다. 환기구의 배치는 균일하지 않은 것으

로 조사되었으나 모델의 단순화를 위하여 역사간 구간에서 균일하게 홀수 개로 배치하였다.

환기구간 별 환기구 개수를 홀수로 배치한 이유는 기계환기 시 급기와 배기의 풍량밸런스을

맞출 수 있도록 하기 위함이다. 비첨두시에는 자연환기를 위하여 환기구의 블라스트 댐퍼를

개방하였으며 유효면적 20m2으로 반영하였다. 차량의 최대 운전속도는 설계최고속도, 운전시격

은 수송인원의 예측 수요에 따라 첨두시 편도 5분 간격, 비첨두시 10분~15분으로 반영하였다.

열차의 총 길이는 6량 1편성으로 141m, 단면적은 10.01m2으로 가정하였다. 터널구간 및 차량

에 대한 운영조건은 Table 1에 정리하였다.

2.2 해석프로그램의 검증

해석프로그램으로는 압축성 공기역학에 기반하여 개발된 FTNS V8.7을 적용하였으며 네트워

크 구조에서의 압력파 거동 해상 능력과 터널 공기압 계산의 정확성이 검증된 바 있다[3-5].

터널 내 공기역학은 압축성 Navier-Stokes 방정식을 따르게 되며 열차의 주행 조건에 의한 주

행저항 및 피스톤 효과, 환기팬의 가동 조건, 벽면 마찰계수, 벽체 열관류율에 의한 지중흡열

등에 의해 터널 내 공기의 압력, 속도, 온도 등의 물성치가 결정된다. 네트워크 접속부

(Junction)에서는 유한체적법에 기반한 GJM(Ghost Junction Method) 수치기법을 사용하였으며 접

Fig. 2 Outline of Emmequerung tunnel

속부와 터널 간 인터페이스 경계면에서 플럭스(Flux)의 정보교환으로 계산하게 된다[3-5]. 또

한 터널 내 열차주행에 의한 물리현상과 검사체적 변화에 의한 지배방정식의 이산화 및 수치

모델 과정은 Hong[3]과 Baron[6]이 자세히 소개하였으므로 본 논문에서는 생략하였다.

해석프로그램의 검증을 위해 Vardy[7]가 측정한 스위스 Emmequerung 터널의 현장시험 데이

터와 본 연구에 적용한 FTNS 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 해당터널은 2개의 shaft가 설치

되어 있는 구간으로 터널 네트워크에서의 압력파 거동을 관찰할 수 있는 좋은 예가 되고 있다.

현장시험 측정조건은 남측 갱구(South portal)로부터 북쪽방향(North bound)으로 198.5km/h

속도로 진입하여 주행하는 ETR 470 고속열차(단면적 10m2, 열차길이 236.5m)가 터널구간을 일

정속도로 통과하는 조건이며 압력변동의 측정위치는 462m 지점이다. 터널의 내공단면적은

75.9m2, 수직구의 풍도 면적은 12.25m2으로 Fig. 2와 같다. 측정당시의 기상조건은 외기온도

14℃, 대기압 945.5 mbar로 기록되었다. 기상조건은 공기의 물성치를 변화시켜 음속의 크기에

영향을 주므로 압력파의 이동속도와 크기에 오차가 발생할 수 있으므로 측정 당시와 동일한

조건으로 설정하여야 한다. FTNS를 이용하여 터널 압력변동을 예측해본 결과는 Fig. 3에 나타

내었으며 Vardy의 실측결과와 압력파의 크기 및 파형 변화가 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.

한편 Wu[8]는 Fluent와 Thermotun을 이용하여 계산한 시뮬레이션 결과를 제시하였으나 Fig. 4

와 같이 압력파의 기울기와 크기가 실측 데이터와 차이를 보이고 있어 FTNS 예측 치와는 조금

다른 결과를 제시 한 바 있다. 본 연구에서는 GTX 운영구간 터널 공기압에 대한 직접적인 검

증은 불가하므로 해외 현장시험의 측정결과와의 비교를 통해 프로그램의 신뢰성을 확보한 후

GTX 운영구간에 적용하였다.

Fig. 3 FTNS results, test 35339-2

Fig. 4 Comparison with numerical results by Wu, test 35339-2

2.3 GTX 터널구간 공기압 시뮬레이션 결과

수도권광역급행철도 A라인의 차량 운영계획은 첨두시(출퇴근 혼잡시)에 편도 5분 시격으로

열차가 운행하는 조건으로 차량 간 압력파의 간섭효과가 예상되며 열차주행 및 냉방기 발열을

제거하기 위하여 본선 환기구 송풍기를 가동하는 기계환기 조건이다. 또한 비첨두시에는 열차

의 운전시격이 10분~15분으로 예상되며 자연환기 조건인 것으로 추정하여 환기구의 블라스트

댐퍼를 개방하여 시뮬레이션을 수행하였다. 실제 운영환경에 가까운 조건을 모사하고 차량의

기밀도 성능을 3초~6초로 설정하여 터널 압력변동에 따른 객실의 압력변동을 분석한 결과는

Table 4에 정리하였다. 자연환기 조건에서 기밀도 3초인 경우 단선 하저구간에서 10초간 객실

압력변동 1,116.8Pa로 1,000Pa 기준을 초과하였으며 기밀도 6초인 경우에는 Fig.5(b)에 나타

낸 바와 같이 886.0Pa로 기준을 만족하였다. 기계환기 조건에서는 자연환기 조건의 예측결과

보다 압력변동의 크기가 다소 커지는 경향이 관찰되었고 기밀도 3초에서는 단선 하저구간에서

10초간 객실압력변동이 1,342.0Pa로 기준초과, 기밀도 6초에서 932.7Pa로 기준을 만족함이 관

찰되었다.

Table 2 Comparison with multiple trains run and single train run

Condition Car Car-outside Car-inside Pa/10s

Multiple trains

Air-tightness=6sec

Double track 1(Rear) -1950.5 -1403.0 591.9

Single track 1(Rear) -3291.6 -2260.7 -932.7

Single train

Air-tightness=6sec

Double track 1(Rear) -987.7 -876.1 235.5

Single track 1(Rear) -2942.2 -2005.8 -971.5

Table 3 Required air-tightness performance of GTX passenger car

Condition Car Car-outside Car-inside Pa/10s Air-tightness

Multiple trains

Mechanical ventilation

Double track 1(Rear) -1950.5 -1448.2 722.4 3 second

Single track 1(Rear) -3291.6 -2260.7 -932.7 6 second

(a) Pressure change of car-outside and car-inside

(b) Pressure change of car-inside during 10 seconds

Fig. 5 Pressure transients of car-outside and car-inside under natural ventilation

(a) Pressure change of car-outside and car-inside

(b) Pressure change of car-inside during 10 seconds

Fig. 6 Pressure transients of car-outside and car-inside under mechanical ventilation when congested

Table 4 Measure pressure and design criteria

Condition Car Car-outside Car-inside Pa/s Pa/3s Pa/10s Pa/60s Decision

Standard - - - 500 800 1,000 2,000 -

Natural

ventilation

Air-tightness

=3sec

1(Rear) -2672.4 -1901.2 351.5 772.1 1116.8 -1444.9 N.G

2 -2559.0 -1770.2 -351.6 768.0 1057.2 -1340.1 N.G

3 -2452.9 -1636.2 -381.8 -761.5 993.1 -1233.1

4 -2348.0 -1504.3 -398.5 -789.3 932.6 -1128.4

5 -2226.1 -1373.1 -411.4 -811.5 878.9 -1025.3

6(Head) -2131.9 -1235.9 -429.3 -832.8 -868.4 -917.4

Natural

ventilation

Air-tightness

=6sec

1(Rear) -2672.4 -1728.6 -223.0 463.2 886.0 -1305.6

2 -2559.0 -1607.6 -222.1 458.8 842.6 -1206.0

3 -2452.9 -1482.3 -223.7 -461.0 794.2 -1103.6

4 -2348.0 -1357.3 -223.6 -463.5 742.9 -1002.1

5 -2226.1 -1232.6 -223.2 -466.2 689.0 -900.7

6(Head) -2131.9 -1102.6 -231.1 -470.8 -647.0 -794.2

Mechanical

ventilation

Air-tightness

=3sec

1(Rear) -3291.6 -2485.4 -492.0 -693.0 -1342.0 1785.2 N.G

2 -3105.9 -2340.1 -428.8 -655.3 -1252.6 1675.4 N.G

3 -2946.4 -2184.4 -363.1 -673.9 -1153.2 1635.2 N.G

4 -2793.7 -2018.2 -376.9 -690.1 -1044.0 1599.4 N.G

5 -2627.7 -1844.2 -378.5 701.9 956.4 1564.4

6(Head) -2475.3 -1656.3 -393.1 -710.9 875.2 1523.1

Mechanical

ventilation

Air-tightness

=6sec

1(Rear) -3291.6 -2260.7 -252.7 -481.5 -932.7 1547.9

2 -3105.9 -2099.0 -220.6 -475.5 -855.2 1512.9

3 -2946.4 -1933.5 -220.6 -469.9 -771.1 1477.3

4 -2793.7 -1768.3 -218.7 -462.5 710.7 1440.7

5 -2627.7 -1602.8 -213.8 -453.2 668.3 1406.7

6(Head) -2475.3 -1430.0 -215.5 -443.2 617.1 1370.1

Table 4의 객실압력변동 예측결과를 살펴보면 GTX 운영환경에서는 10초간 객실압력변동 기

준 1,000Pa을 만족하는 것이 가장 엄격한 기준임을 알 수 있다. 또한 첨두시 운영조건에서 다

수의 차량 간 압력파 간섭효과를 검토해본 결과 복선구간에서는 차량외부 압력변동이 편도 12

대/h(5분시격) 운행 시 1950.5Pa, 열차 1대 단독주행 시 987.7 Pa로 약 2배가 관찰되었고 차

량내부 압력변동은 1403.0Pa, 단독주행 시 876.1Pa로 약 1.6배(기밀도 6초)가 관찰되었다. 반

면 단선구간에서는 Table 2에 나타낸 바와 같이 객실내외부 압력변동의 증가 폭이 약 10% 정

도로 예측되어 복선구간과 달리 간섭효과가 크지 않은 것으로 분석되었다.

최종적으로 시뮬레이션 결과로부터 GTX 차량의 기밀도 요구성능을 복선터널과 단선터널 구

간에 대하여 도출한 결과는 Table 3에 요약하였으며 복선구간에서 3초 이상, 단선구간에서 6

초 이상의 기밀성능을 갖추면 객실압력변동 기준을 충족함을 보여주었다.

3. 결 론

본 연구에서는 수도권광역급행철도 A라인의 운영조건에서 GTX 차량에 요구되는 기밀도 성능

을 분석하여 복선구간에서는 3초 이상, 단선구간에서는 6초 이상임을 제시하였다. 본 연구 결

과 제시된 성능기준은 향후 GTX 차량의 기밀 성능 확보를 위한 다양한 기술적 대안들을 검토

하는데 있어 유용한 자료로 활용될 것으로 기대한다

후 기

본 연구는 한국철도기술연구원의 지원을 받아 수행하였으며 이에 관계자 여러분께 감사의

말씀을 전합니다.

참고문헌

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