열-수리-역학 연계 해석을 통한 철도 노반 동상(凍上) 원인 분석 : 철도 노반 동상 원인 분석 = A Study on the Causes of Frost Heave in Railway Subgrades through the Thermo–Hydro–Mechanical (THM) Coupling Method

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study examines frost heave phenomena occurring in railway subgrades from a thermal-hydraulic-mechanical (T-H-M) perspective. Using the frost-prone section at the portal of the Myeonon Tunnel on the Gangneung Line as a case study, it analyzes the mechanisms of frost heave occurrence and proposes reinforcement countermeasures. By combining WT (ground temperature)–WL (groundwater level)–level measurement data with THM-coupled numerical analysis, the relationships between the freezing index, freezing depth, groundwater level rise, ice lens growth, and track heave were quantitatively examined. The research results identified the frost heave in the target section as open frost heave, caused by the combined effects of persistently high water levels due to the water-collecting topography near the portal, accumulation of excess pore water pressure from repeated train loads and rising groundwater levels, and a long-term freezing environment during winter. By applying the concept of adding groundwater level rise (ΔWL) and a safety margin to the frost depth (FD) calculated through measurement and analysis, it was demonstrated that a more conservative design depth than general standards is required for special sections like portals and cuttings. Accordingly, it was confirmed that a combined countermeasure integrating deep drainage, low-pressure cutoff grouting, and localized insulation is effective in suppressing frost heave. This study is significant in that it quantitatively presents the frost heave mechanism in domestic railway subgrades through a case study integrating instrumentation and THM-linked analysis, and proposes a design depth determination logic and a composite reinforcement countermeasure package applicable during the design, construction, and operation phases. The presented results and procedures are expected to serve as foundational data for enhancing future railway design and management guidelines and establishing standard design and maintenance systems for frost-vulnerable sections, such as portal areas. Keywords: Frost heave, Ice lens, Freezing depth, Railway subgrade, Cut-off grouting, Drainage, Insulation, Heating

국문 초록 (Abstract)

열-수리-역학 연계 관점의 철도 노반 동상(凍上) 원인 분석 연구 상 지 대 학 교 대 학 원 토 질 공 학 전 공 김 효 중 지 도 교 수 황 영 철 본 연구는 철도 노반에서 발생하는 동상(凍上) 현상을 열·수리·역학(T–H– M) 관점에서 고찰하고, 강릉선 면온터널 포탈부 동상 취약 구간을 사례로 동 상 발생 메커니즘과 보강 대책을 분석하였다. WT(지중온도)–WL(지하수위)–레 벨 계측 자료와 THM 연계 수치해석을 결합해 동결지수·동결심도, 지하수위 상승, 아이스렌즈 성장, 궤도 솟음 간의 관계를 정량적으로 검토하였다, 연구 결과, 대상 구간의 동상은 포탈 인근 집수 지형에 따른 상시 고수위, 열차 반복하중에 의한 과잉간극수압 누적과 지하수위 상승, 동절기 장기 동 결환경이 복합적으로 작용하는 개방형 동상으로 규명되었다. 계측·해석을 통해 산정한 동결심도(FD)에 지하수위 상승량(ΔWL)과 안전 여유를 더하는 개념을 적용하여 포탈부·절취부와 같은 특수 구간에서는 일반 설계 기준보 다 보수적인 설계 심도가 필요함을 제시하였고, 이에 따라 심층 배수·저압 차수그라우팅·국부 단열을 조합한 복합 대책이 동상 억제에 효과적임을 확 인하였다. 본 연구는 계측과 THM 연계 해석을 통합한 사례 연구를 통해 국내 철도 노 반 동상 메커니즘을 정량적으로 제시하고, 설계·시공·운영 단계에서 활용 가능한 설계 심도 결정 로직과 복합 보강 대책 패키지를 제안하였다는 점에 서 의의가 있다. 제시된 결과와 절차는 향후 철도 설계·관리 지침의 고도화 와 포탈부 등 동상 취약 구간에 대한 표준 설계·유지관리 체계 마련을 위 한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 핵심용어 : 동상, 아이스렌즈, 동결심도, 차수보강, 배수, 단열, 발열

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 기존 연구 동향 1
• 1.3 연구 목적 및 범위 4
• 제2장 동상 발생 메커니즘 6
• 2.1 동상 이론 (열·수리·역학적 메커니즘) 6
• 2.2 아이스렌즈 형성과 궤도 솟음 과정 6
• 2.3 THM 연계 해석 7
• 2.4 정량 지표와 설계 연계 9
• 2.5 본 연구에서의 적용 10
• 제3장 국내 동상 연구 사례 분석 11
• 3.1 연구 대상 지역 11
• 3.2 지중온도계 계측 결과 분석 14
• 3.3 지하수위계 계측 결과 분석 16
• 3.4 궤도변위계 계측 결과 분석 17
• 3.5 연구대상 지역 궤도 솟음 메커니즘 18
• 제4장 해외 철도 동상 연구 사례 21
• 4.1 일본 철도 동상 방지 기술 21
• 4.2 북미 철도 동상 방지 기술 25
• 4.3 북유럽 철도 동상 방지 기술 30
• 4.4 북미·북유럽 비교 35
• 제5장 T-H-M 해석 (현 보강 공법 비교) 37
• 5.1 T-H-M(Thermal-Hydraulic-Mechanic) 해석 37
• 5.2 수치해석을 통한 메커니즘 예측 42
• 제6장 최적 공법 선정 45
• 6.1 적용 구간 45
• 6.2 시공 위치 46
• 6.3 차수보강 그라우팅 설치 심도 평가 및 결정 46
• 6.4 주입 압력 평가 47
• 6.5 현장 계측 및 T-H-M 연계 해석 결과 48
• 6.6 주요 보강 공법 분석 51
• 6.7 국내 적용 가능성 평가 58
• 제7장 결론 61