북한 동절기 기후를 고려한 노후터널의 동상방지방안에 관한 연구 = A Study on the Prevention of Frost Heave in Aging Tunnels considering the Winter Climate of North Korea

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

After the joint research on North Korea railway in 2018, expectations for linking with North-South Korea and Eurasian railways. Therefore, a study for the connection and renovation of North-South Korea railways is needed.
North-South Korea show great differences in winter climate. In South Korea, air temperature range is about –10~25℃ during winter. On the other hand, during the winter in North Korea, the temperature is about –25~40℃. Due to the extreme cold in North Korea, the tunnels are frequently damaged by freezing. However, North Korea is only implementing maintenance without solution. Therefore, in order to prevent tunnel freezing damage, it is necessary to review the tunnel freezing range considering the winter climate of North Korea.
Considering the North-South Korea railway connection, two methods are expected. The first is to reinforce and use North Korea's aging tunnels. The second is to apply and improve the South Korean single-track tunnel standards. Therefore, in this study, for the smooth connection and improvement of North-South Korea railway, the prevention of tunnel frost heave was suggested through numerical analysis.
As a result of investigating the current status of aging railway tunnels in North Korea, tunnels with a length of less than 1km or less were built on Gyeongui Line, and tunnels with a maximum of 5km were built on the Donghae Line. Thus, the length of the numerical analysis model was set to a maximum of 5km. In addition, in order to verify the reliability of the numerical anaylsis, it was compared with domestic and overseas tunnel temperature measurements. As a result of the comparison, the reliability of the numerical analysis was confirmed.
As a result of reviewing the numerical analysis program(CFD) considering the winter temperature, inflow wind speed, and tunnel conditions in North Korea, the range for freezing of aging tunnel and improved tunnel increased as the temperature decreased and the wind speed increased.
In addition, the freezing depth at the rear of the concrete lining was analyzed numerically using the North Korean freezing index map, and through this, the thickness of the insulation between the lining and the shotcrete according to the temperature drop was calculated. Furthermore, when applying the insulation method, a flow chart to prevent frost heave was proposed.
To summarize the conclusion, the freezing range of aging tunnels and improved tunnels was derived through numerical analysis in consideration of North Korea's winter climate. Based on the expected freezing range, applicable domestic maintenance methods and a flow chart for preventing frost heave were presented. Through the proposed maintenance methods and flow chart, it is expected to connect North-South Korea railway by enhancing the cold resistance of aging tunnel.

국문 초록 (Abstract)

남북철도 공동연구조사(2018.11.30.)의 시행 이후 남북철도 연결 및 유라시아 연계에 대한 기대감이 급증함에 따라 남북철도의 원활한 연결 및 개보수를 위한 기반이 필요하다. 남북한은 동절기 기후조건에서 큰 차이를 보인다. 남한은 동절기 영하 10~25℃로 관측된 반면, 북한은 영하 25~40℃로 관측되었다. 또한, 동절기 북한의 철도터널은 동결, 도상 결빙 등의 피해가 지속적으로 발생하고 있으나 근본적인 해결방안의 부재로 명목상의 유지보수만 시행되는 실정이다.
본 연구에서는 남북철도의 원활한 연결 및 개보수를 위하여 북한의 동절기 기후조건과 노후 철도터널 현황 조사 및 수치해석적 검토를 통해 동절기 노후터널과 개량(확폭)터널의 동상방지방안을 마련하였다. 수치해석과 온도계측의 비교분석으로 신뢰성을 검증한 후 북한 철도터널 연장, 단면, 동절기 기온 등을 고려하여 터널 내부 동결발생 예상범위 및 배면 동결깊이를 분석하였다. 도출된 동결발생 예상범위를 토대로 노후화된 터널의 내한성 증진을 위한 유지보수방안 재정립과 동상방지방안 적용 흐름도를 제시하였다.
북한의 노후 철도터널 현황을 조사한 결과, 경의선은 주로 연장 1km 이하, 동해선은 최대 5km 이하의 터널이 부설됨에 따라 수치해석 모델의 연장을 최대 5km, 터널 단면은 제4종형 터널 표준단면으로 설정하였다. 또한, 국내외 철도터널에서 수행된 온도계측과 수치해석 비교분석으로 신뢰성을 확보하였다.
동결범위 검토를 위한 수치해석 결과, 노후터널 및 개량(확폭)터널의 동결발생 예상범위는 외부기온이 낮을수록, 풍속이 높을수록 증가하는 경향을 보였다. 배면 동결깊이의 경우 북한 동결지수선도를 활용하여 외부기온에 따른 라이닝과 숏크리트 사이 필요 단열재 두께를 산정하였으며, 단열공법 적용을 위한 동상방지방안 적용 흐름도를 마련하였다.
남북철도의 연결을 대비하여 기존 북한의 노후화된 터널을 유지보수하는 경우와 개량(확폭)된 단선터널을 적용하는 경우로 나누어 고려하였으며, 각 단면에 기후조건(풍속, 최저기온) 및 설계조건(터널 연장, 단면)을 고려하여 동결발생 예상범위를 분석하였다. 도출된 동결발생 예상범위를 토대로 유지보수 및 동상방지방안을 검토하여 활용 가능한 방안을 제시하였으며, 이를 통해 향후 남북철도 연결 시 노후화된 터널의 내한성을 증진시켜 원활한 남북철도의 구축이 가능할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 요약 ⅰ
• 표목차 ⅱ
• 그림목차 ⅲ
• 기호설명 v
• I. 서 론 1
• 1. 연구의 배경 및 목적 1
• 2. 연구내용 및 범위 3
• 3. 연구동향 4
• II. 이론적 고찰 6
• 1. 터널 동결피해 발생원인 6
• 2. 터널 내부유동 및 열전달 이론 8
• III. 동절기 터널 내부 열전달 모델 검토 11
• 1. 외부기온 변화에 따른 터널 내부온도 변화 11
• 2. 열전달 수치해석 신뢰성 검증 15
• IV. 노후터널 및 개량(확폭)터널 동결범위 도출 18
• 1. 북한의 노후터널 현황 18
• 2. 북한 노후터널의 동결발생 예상범위 도출 24
• 3. 개량(확폭)터널의 동결발생 예상범위 도출 33
• V. 노후터널의 유지보수방안 및 동상방지방안 40
• 1. 노후터널의 유지보수방안 40
• 2. 동결지수선도를 활용한 동상방지방안 제시 48
• VI. 결 론 54
• 참고문헌 56
• 영문초록(Abstract) 59
• 감사의글 61