남북철도 연결을 위한 설계기준 및 운영에 관한 연구 = Design Standards and Operations for Railway Connection in Korean Peninsula

국문 초록 (Abstract)

북한철도는 대부분 일제 강점기때 건설된 인프라 및 시스템을 유지하고 있다. 남북철도 연결을 위해서는 북한의 기존선에 대한 전면적인 개·보수 또는 새로운 노선 건설과 관계된 북한지역의 환경을 반영한 검토가 이루어져야만 한다. 남북철도 연결 이후의 효율적인 운영을 위해서는 철도의 공동 운영을 위한 정치적 측면, 유라시아 진출시 화물운송시스템 등으로 발생하는 경제적 측면까지 전반적인 항목들에 대한 조건 및 의미 또한 고려되어야 할 것이다. 본 논문에서 북한철도 연계를 위한 기술적, 정치적, 경제적 측면에서 요구되는 항목들을 다양하게 검토하고 그에 따른 적절한 방안을 제시하였다.
기술적 측면에서는 크게 신호통신 분야, 전철전력 분야, 궤도 및 토목구조물 분야로 나눌 수 있다. 신호통신의 경우 안전을 위하여 공통의 시스템을 사용해야 하며, 전철전력 경우 또한 효율적인 운영을 위하여 남북한의 공통시스템이 필요할 것으로 분석되었고 이에 따른 현대화 방안을 각각 제시하였다.
신호통신의 경우 북한철도 현대화 및 속도 향상방안으로 150km/h 열차속도 운행조건에서 ‘5현시 신호방식’으로 관제 설비 및 차상 신호시스템 개량방안을 구축하는 것을 제시하였다. 전철전력의 경우 남한은 교류(AC), 북한은 직류(DC)로 전류방식이 상이하므로 남북한 연계시 전철전력 단계별 차량 교류-직류(AC-DC) 전력 변환시스템 도입에서 통합 급전시스템 방안인 교류(AC) 25,000V의 통합된 시스템 구축이 열차속도 및 전력변경 등에 가장 효과적인 방안으로 분석되었다.
궤도 및 토목구조물의 경우 내구연한이 초과한 것으로 조사되었으며, 기존선 개량 및 신선 건설에 필요한 설계기준이 제시되었다. 제안된 설계방안은 남한 설계기준을 바탕으로 북한지역의 기후적 특성에 따라 동결 방지방안을 포함한 기준이 각 항목별(노반, 궤도, 터널, 교량)로 제시되였다.
노반의 경우 20년간 북한지역의 대기온도를 활용하여 한반도 동결지수선도를 제시하였으며, 최대 동결깊이 예측에 따른 세립분 함량조절 및 유공관 설치깊이 조정을 통해 동상에 의한 피해저감 방안을 제시하였다. 궤도재료 적용방안의 경우 경의선과 동해선을 주축으로 1단계일 때 70∼100km/h, 2단계일 때 140∼200km/h, 3단계일 때 200∼350km/h의 열차속도별로 요구되는 궤도재료 종류 및 사양 등을 세부적으로 제시하였다. 레일의 경우 국내 장대레일 적용성에 대해 검토하였으며 약 –30℃∼+40℃의 국내 대기온도 범위 안에서 레일온도에 대한 국내기준(최저, 최고 레일온도 및 설정온도 등)이 적용 가능한 것으로 분석되었다. 터널의 경우 강원지역의 고속철도 터널에서 약 2년간 온도계측을 실시하였으며, 이를 바탕으로 외기온도와 터널 연장에 따른 터널 내 온도변화를 유동 및 열전달 해석을 통하여 수치해석적으로 분석하였다. 수치해석 결과에 따라 외기온도와 터널 연장에 따른 터널 입구로부터 동결이 발생되는 영향범위 및 단열재 적용방안을 제시하였다. 교량의 경우 대기온도 승강범위 산출을 통해 강교 및 콘크리트교를 중심으로 북한지역별 유효온도 범위를 제시하였다.
정치적 측면에서는 철도 운영 방안에 대한 접근방법들을 서술하였으며, 통관 및 환적 절차 등을 간소화하기 위해서는 공동협정 및 제3의 운송회사 설립하는 방안을 제시하였다. 또한 경제적 측면을 고려하였을 때 기업들의 문제점을 해결하기 위해서는 남북한간에 화물 국제운송에 대한 협의를 통하여 절차를 간소화하여야 하며, 국제물동량 균형을 맞추려는 노력보다 국내 물류를 확장한다는 개념에서 물동량을 확보방안이 필요함을 제안하였다. 또한 인접국가와의 관계를 고려하여 TKR(Trans -Korean Railway)을 연계한 공격적인 마케팅이 필요함을 제안하였다.
위에서 언급한 바와 같이 본 논문에서는 기존 여러 연구와 다르게 남북철도 연결을 위한 건설기준과 전차선 및 신호체계 현대화 방안을 제시하였고, 향후 남북철도 공동운영을 위한 정치적, 경제적 측면에 대한 다양한 분야에 대한 검토와 제안을 하였다. 본 논문의 결과를 활용한다면 남북철도 연계에 관한 여러 가지 기술적 한계점 극복과 더불어 공동운영에 대한 방안 제시에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

North Korea maintains an old infrastructure and rail system built in early 1900s. In order to connect railways through Korean Peninsula, railways in North Korea should be rehabilitated considering North Korea's regional environments. Political issues, economical aspects, as well as Eurasian freight systems should be considered to efficient co-operations of railway after connecting. This paper proposes solutions for above mentioned issues such as technical, political, and economical aspects.
The technology field of railway can be divided into Signal Communication engineering, Electric Power engineering, Track engineering, and Civil Structure engineering. Especially, Communication fields are required for using common system for safety, and common electric power systems are better for efficient co-operation. Therefore, those solutions are analyzed and proposed in this paper.
The‘5-phase signal system’in signal communication was investigated and recommended for a control facility and on-board signaling system under the condition of train running speed of 150 km/hr. The electric power system in South Korea, AC 25,000V is different from North Korea, DC 3000V. The steps of co-operation of electric power system is from using AC-DC power converting system in train for the first, and then unifies AC 25,000V for common electric power system in entire Korean Peninsula.
The infrastructures of railway in North Korea are mostly over their persisting periods. The proposed design standards for the construction of infrastructures in North Korea are based on South Korea railway design standards including freeze prevention methods for each structure (Roadbed, Track, Tunnel, Bridge) under the consideration of the climatic conditions in North Korea.
The freezing index map of the North-South Korea was presented using the atmospheric temperatures of North-South Korea for 20 years. The percentage of fine particle contents is lowered from 10% to 8%, and the depth the drain pipe is also adjusted to reduce freezing damage according to predicted maximum freezing depth in North Korea.
The Specifications of track components in Gyeongui and Donghae Lines under the train speeds of 70∼100km/h in first phase, 140∼200km/h in the second phase, and 200∼350km/h in the third phase are presented in details, respectively. The standard of South Korea temperature range can be used for applying continuous rail in North Korea, which is under the condition of South Korea air temperature range of -30℃ to +40℃ for the rail setting temperatures.
In order to prevent damages under freezing, temperatures in tunnel were measured for 2 years in South Korea high speed line located in Gangwon area. Numerical analyses were performed for air flows and heat transfers in tunnel by varying outside temperatures and tunnel lengths. The freezing temperature ranges according to the length of tunnel and outside temperature and the application of insulation materials for preventing freezing in tunnel are presented in this paper.
The effective temperature ranges for bridges on each region in North Korea were also presented for steel and concrete bridges by calculating the atmospheric temperature changes.
Railway operation plans are proposed by considering the political aspects. In order to simplify customs clearance and transshipment procedures, a joint agreement and establishment of a third transport company would be effective. A consultation on international freight transportation between South and North Korea is recommended for simplifying unexpected problems to improve economic conditions. The increasing volume of freight logistics in South Korea would be more efficient than trying to balance the international exchange volume. In addition, an aggressive marketing method in liaison with TKR would be more efficient considering the relationship between neighbor countries.
The results of this paper propose design standards for construction of new lines and rehabilitating existing lines, modernizations of electric lines and signaling systems for the connection of railways in Korean Peninsula, which are quite different from previous research results. Recommendations by considering political and economic aspects for co-operation of railways in the Korean Peninsula are also presented.
The results of this paper can contribute to overcome various technical limitations and co-operation problems when connecting railways in Korean Peninsula.