궤도를 건설하고 그 위를 움직이는 차량을 이용하여 사람, 물자 또는 다른 차량을 운반하는 육상운송수단. 일반적으로 침목 위에 레일 2개를 평행하게 건설하여 궤도를 만들고, 그 위를 조향이 가능하도록 플런지 등을 붙인 철차륜이 운전하는 차량으로 운송하는 운송수단을 의미하나, 용례에 따라서는 이러한 개념에서 벗어난 궤도형 운송수단을 포함하는 포괄적인 개념으로 사용하기도 한다.
역사
현재와 같은 형태의 철도(레일)은 19세기 초에 영국의 광산에서 출연한 것으로 알려져 있다. 당시 궤도 부설 방식의 특성은 철도 차량에 단일 자유도를 주고 금속과 금속의 접촉을 통한 궤도에 의하여 안내되는 차륜의 이동으로 요약할 수 있다. 그러나 이와 같은 금속재질의 가이드(레일)을 이용한 마차나 짐마차 형태의 수송은 1550년경에 스위스 바젤지역에서 사용된 광산에서 채용되어 있었으며, 이 기원은 로마제국 당시 석제 포장으로 만든 홈에 의한 수송과 고대 그리스 시대의 목재 홈을 부설하여 짐마차 수송을 한 것까지 그 원형을 찾을 수 있다.[1]
철도의 황금기
철도의 개발은 산업혁명, 증기기관의 도입 및 석탄과 철광의 개발에 영향을 받았다. 1930년경부터 대부분의 유럽 국가에서 운영되기 시작하였으며, 20세기 초에는 이미 최대 밀도에 도달하였었다[2] 당시 철도의 성장에 영향을 준 가장 큰 요인은 바로 속도였으며, 영국에서는 증기기관으로 이미 1835년에 시속 100km를 돌파하였으며, 1890년에는 프랑스에서 144km/h, 독일의 시험주행에서 213km/h까지 도달하는 등의 속력을 내게 되었다. 20세기 초에는 전기철도가 도입되기 시작하였으며, 이는 철도 운전과 운행 시스템에 있어서 기존의 철도 성능 이상의 것에 도달하게 하였으며, 2차 세계대전을 전후하여 신호와 집중 원격제어 시스템이 발달하면서 1950년대를 기준으로 철도의 운행 시스템을 현재의 형태로 만들게 되었다.
경쟁 교통수단
20세기 초에 최대 밀도를 가졌던 철도는 이후 새로운 교통수단[3]이 등장하면서 수송의 선택지가 늘어나게 되었고, 이는 철도의 수송에 있어서 경쟁력을 갖추지 못한 경우는 다른 교통수단에 밀려서 도태되게 되었다. 이런 이유로 철도는 현대화와 개량의 압력을 지속적으로 받고 있으며, 특히 속도, 수송비 절감과 서비스의 개선에 있어서 그러한 압력이 더 크다고 할 수 있다. 이로 인하여 철도 교통에는 시속 200km를 넘어서는 고속열차의 운행과 철도-도로의 연계 수송, 화믈의 고용량, 고밀도 수송 기법 등이 도입되게 되었으며, 기술적으로는 자기부상열차나 에어로트레인 같은 시험적인 열차 등이 개발되기 시작하였다.
철도 수송의 특성
- 철도 수송은 1개 편성의 열차에 여러 차량(unit)을 연결하여 수송 용량을 조절할 수 있는 특성이 있다. 이러한 특성으로 화물과 여객의 수송에 있어서 상당한 수송의 고밀도 수송을 할 수 있다. 당장 서울 지하철 2호선만 하여도 매일 아침, 저녁으로 가축수송이 이루어지고 있으며, 미국이나 오스트레일리아의 경우 1편성당15,000~25,000톤의 수송량을 기본으로 하는 열차들이 수시로 운행되고 있다. 만일 트럭으로 해당 수송량을 충당하려면 엄청난 숫자의 트럭이 필요하게 된다.
- 철도 수송은 자동차와 비교하여서 자유도는 떨어지는 편이다. 자동차의 경우 Door to door수준의 수송이 가능하지만 철도는 선로가 연결되어있는 역(집하장) 까지의 수송이 가능하다. 그러나 선로를 통한 수송이라는 특성으로 인해 컴퓨터와 이를 통한 자동운전, 신호 제어 등의 도입이 상당히 용이하며, 이를 통하여서 단위 수송 용량을 증가시킬 수 있다.
- 금속 궤도를 통한 차륜이 이동을 하는 특성으로 차량 자체의 무게는 엄청나지만 차륜에 가해지는 회전 저항은 1톤당 3kg 미만 수준으로 상당히 줄어든다. 이로 인하여 철도수송은 차량을 통한 도로 수송 대비 절반 정도의 에너지를 소모하게 되며, 항공 수송과 비교할 경우 동일 무게당 소비하는 에너지는 항공기의 15~20%수준에 불과하다.
- 도로교통과 대비하여서 철도의 경우 상당히 뛰어난 정시성을 가진다. 물론 단선철도의 경우 지연되는 경우가 종종 있지만 도심지에서 용량초과로 몸살을 앓는 도로와 비교하면 애교 수준이다. 항공기와 비교해서도 뛰어난 수준인데, 악천후에 수시로 지연, 결항되는 항공기에 비해 철도는 기상상황에 거의 영향을 받지 않는다고 할 수 있다.
- 다른 교통수단과 비교하여서 철도 교통의 경우 토지 점유 수준이 상당히 낮은 수준이다. 같은 연장의 도로와 비교할 경우 복선 선로라고 하여도 왕복 2차선 도로보다 점유하는 토지 면적이 적으며(일반적인 고속도로 대비 30% 수준), 항공기와 비교할 경우에도 차지하는 공간이 적다[4]
철도의 구조
철도는 크게 열차가 움직이는 길 역할을 하는 레일, 레일을 고정시키는 침목, 침목을 지면과 단단히 결박하는 도상으로 구성된다. 이 세가지 요소중 어느 하나라도 제대로 갖춰지지 않으면 열차가 안전하게 운행할 수 없으므로 철도 구조상 매우 중요한 기반이라고 할 수 있다.
레일
레일의 단면도
- Rail section 02.jpg
레일의 접합부
철도 차량의 차륜과 직접적으로 접촉하는 궤도의 역할을 수행한다. 레일은 차륜과 빈번한 마찰을 견뎌낼 수 있어야 하므로 내마모성이 뛰어나고, 야외에 장기간 노출되기 때문에 비나 눈 등으로부터 부식에 견딜 수 있어야 하고, 노선에 따라 곡선과 경사에 대응할 수 있도록 탄성도 갖춰야 하므로 특수하게 가공된 레일강이라는 강재를 사용한다. 보통 레일은 I형 단면이며 차량을 일정한 장소로 안전하게 유도하는 역할을 수행한다. 레일의 폭은 몇가지 규격으로 정해져 있으며, 현재 대부분의 나라에서는 1,435 mm의 간격을 표준적으로 적용하고 있으며 이를 표준궤라 부른다. 이 궤간보다 넓으면 광궤, 좁으면 협궤로 칭하는 것. 레일은 무한정 길게 뽑을 수 없으므로 대략 20~25m 정도의 길이로 잘라서 운반하고, 노선 부설시 레일과 레일 사이의 간극을 지지하는 별도의 접합부를 시공한다. 열차가 움직일 때 일정 간격으로 덜컹거리는 특유의 소음이 발생하는 이유도 차륜이 레일과 레일 사이의 접합부의 미세한 틈을 지날때마다 마찰음이 유발되기 때문.
장대레일을 운반하는 모습
테르밋 용접으로 장대레일을 접합하는 모습
레일의 접합부로 인해 차륜의 마모가 유발되고, 승차감도 떨어지며 소음도 유발하는 단점을 보완하고자 장대레일(연속용접레일)이 제작되어 기존 레일을 대체하고 있다. 특히 고속철도의 경우 레일 접합부로 인해 고속운행시 차량의 안정성에도 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 고속주행 구간에는 장대레일을 적극적으로 도입하고 있다. 대한민국의 경우 경부고속선을 시작으로 이후 건설된 호남고속선은 물론이고 기존선도 고속화 개량을 적극적으로 도입하는 추세에 맞추어 고속선, 기존선 구분하지 않고 장대레일을 적용하고 있다. 오송역 부근에 위치한 오송기지 구내에는 장대레일 전용 제작설비가 자리잡고 있다. 장대레일은 기존 25m 길이의 일반레일을 300m 길이로 이어붙여 제작하며, 전용 화차에 적재하여 이동한다. 장대레일의 핵심은 레일과 레일 사이의 접합부가 없다는 것으로, 이를 위해 고온, 고압의 특수 용접기법인 테르밋 용접을 적용하여 레일을 하나로 이어주고, 용접이 완료된 이후에는 연마기를 사용하여 매끄럽게 다듬는다. 국내 고속선의 경우 선로전환기나 고속주행이 불필요한 역 장내를 제외하면 수십Km의 구간이 하나의 레일로 연결되어 건설되었다고 볼 수 있다.
침목
철도의 도상 위에서 레일을 직접 지지하고 궤간을 유지함과 동시에 하중을 넓은 범위로 분포시켜 도상에 전달하는 지지대의 역할을 수행한다. 재질에 따라 나무, 콘크리트, 철 등으로 구분되며, 배치방식에 따라 횡침목, 블록침목, 종침목으로 구분한다. 철도 등장 초창기부터 침목은 나무로 제작되었으며, 무거운 레일과 철도 차량의 하중을 견뎌낼 수 있을정도로 조직이 치밀하고 오랜기간 형태가 일정하게 유지되어야 하는 목재로 제작된다. 그러나 아무리 단단한 나무로 제작하더라도 시간이 흐름에 따라 부식이 발생하는 등 내구성이 하락하게 되므로 일정 주기마다 보선작업을 통해 침목을 교체하는 비용과 인건비가 요구되며, 목재 벌목 및 부식 방지를 위한 약품처리 등 자연환경 훼손의 문제점도 대두되어 점차적으로 콘크리트 재질로 교체되고 있다. 우리나라는 열차 통행이 빈번한 노선들은 대부분 콘크리트 침목으로 교체된 상태이며, 통행량이 적거나 곧 폐선이 예정된 낙후된 일부 노선에서 나무침목을 찾아볼 수 있다.
도상
도상은 열차의 무게가 레일과 침목을 경유하여 전달된 하중을 넓게 분포시켜 노반에 전달하는 역할을 담당한다. 또한 레일의 신축으로 인해 나타날 수 있는 침목의 이동을 도상저항력으로 방지하며 차량의 진동을 흡수하여 승차감 향상의 목적도 가진다. 전통적으로는 단단한 바위를 잘게 부순 자갈을 활용한 자갈도상이 보편적으로 적용되며, 현재에도 대부분의 노선은 자갈도상으로 구성되어있다. 자갈도상은 건설비가 저렴하고 궤도를 일정하게 유지시켜 줄 수 있고, 정정 작업도 간단하기 때문에 전세계적으로 널리 사용한다. 다만 자갈도 시간이 흐름에 따라 부서지면서 강도가 약해지고, 빗물이나 토사의 유입으로 배수가 나빠지기 때문에 정기적으로 새로운 자갈로 교환하는 치환작업이 요구되는데, 여기에는 많은 인력과 비용이 소요된다. 또한 고속운행시 열차가 발생시킨 압력으로 인해 자갈이 튀어올라 열차의 외벽이나 유리창을 파손하는 사고[5]도 종종 발생한다.
자갈도상의 단점을 해소하기 위하여 등장한 것이 콘크리트 도상이며, 서울 지하철 건설시 적극적으로 도입되었다. 기존의 자갈 대신 단단한 콘크리트 도상으로 대체하여 유지, 관리 소요를 획기적으로 줄이는 장점이 있으나 궤도의 탄성이 적어 충격이 크고 자갈에 비해 소음 흡수가 힘들어 열차 운행시 소음[6]이 높아진다. 또한 건설비가 높고 파상 마모, 레일 이음매부 손상의 우려 등 단점도 가지고 있다. 이러한 단점을 보완한 도상이 슬래브 도상으로, 별도의 침목을 사용하지 않고 도상에 직접 레일을 체결하는 공법을 적용하는 방식이다. 경부고속선 2단계 구간[7]에 슬래브 도상이 적용되었으며, 이후 건설된 대부분의 신규 노선에 널리 적용되었다. 슬래브 도상은 도상 다짐이 불필요하므로 유지보수비가 거의 들지 않으며, 터널 내 작업을 위한 별도의 환기시설을 설치할 필요가 없다. 반면 초기 건설비가 높고, 도상이 침목의 역할을 흡수하며 일체화되어 건설하는 특성상 시공 후 선형 변경이 힘들다.
철도의 종류
궤도의 크기에 다른 분류
형태에 따른 분류
관련정보
이와 관련한 내용은 분류:철도에서 볼 수 있습니다.같이 보기
각주
- ↑ 철도공학개론 2nd Edition V.A. Profillidis저
- ↑ 이후 전쟁과 폐선 등으로 21세기의 철도 밀도는 오히려 20세기 초반보다 감소하였다
- ↑ 자동차와 항공기
- ↑ 파리-리옹간 고속선로 429km가 차지하는 토지 면적은 파리 공간만큼의 면적을 점유한다. 활주로로 인한 고도제한 구역까지 합치면 그 정도는 훨씬 더 크다.
- ↑ KTX 등 고속열차가 터널 진입시 압력차이로 인해 형성된 순간적인 진공상태에서 비산한 자갈이 객실 유리창을 강타하여 금이 가거나 심하면 파손되는 사고도 발생한다.
- ↑ 특히 소음이 외부로 분사되기 어려운 지하철은 열차 운행시 발생한 소음이 터널 내부에서 증폭되어 매우 큰 소음이 느껴지기도 한다. 특히 서울 지하철 5호선은 전동차에 야외용 인버터가 적용되어 타 노선에 비해 소음이 심한 것으로도 이름을 날리기도 한다.
- ↑ 동대구~신경주~울산~부산 구간