철길을 살펴보면 같은 철도인데도 선로의 모습이 서로 다른 것을 볼 수 있다. 어떤 구간은 레일과 침목 아래에 수많은 자갈이 깔려 있지만, 다른 구간은 자갈 없이 단단한 콘크리트 구조물 위에 레일이 설치되어 있다.
이러한 차이는 철도 궤도의 도상 구조에서 비롯된다. 자갈을 이용하면 자갈도상 또는 자갈궤도, 콘크리트를 이용하면 콘크리트도상 또는 콘크리트궤도라고 부른다.
두 방식 모두 열차가 안전하게 달릴 수 있도록 레일을 지지하는 것이 목적이지만 구조와 유지보수 방법, 비용, 진동 특성 등에서는 상당한 차이가 있다. 그렇다면 자갈도상과 콘크리트도상은 정확히 무엇이 다를까?
철도에서 ‘도상’은 어떤 역할을 할까?
철도 궤도는 레일 하나만으로 이루어지는 것이 아니다.
일반적으로 레일, 레일체결장치, 침목, 도상과 하부 구조가 함께 하나의 궤도를 구성한다. 국가철도공단도 궤도를 레일·침목·자갈 또는 콘크리트 등으로 구성되는 구조로 설명한다.
이 가운데 도상은 레일과 침목에서 전달되는 열차의 하중을 아래쪽 구조에 전달하고 궤도를 안정적으로 유지하는 역할을 한다.
앞선 글에서 살펴본 자갈도상에서는 이 역할을 자갈층이 담당하지만, 콘크리트궤도에서는 자갈 대신 콘크리트 구조가 궤도를 지지한다.
자갈도상이란 무엇인가?
자갈도상(Ballasted Track)은 침목 아래와 주변에 일정한 품질의 도상자갈을 채워 궤도를 지지하는 전통적인 철도 구조다.
열차의 하중은 바퀴에서 레일로 전달되고, 다시 침목과 자갈도상을 거쳐 노반으로 분산된다. 자갈 사이에는 작은 공간이 존재하기 때문에 궤도에 일정한 탄성을 제공하고 열차 운행에서 발생하는 충격과 진동을 완화하는 데에도 도움을 준다.
국가철도공단은 자갈도상의 장점으로 이러한 쿠션 작용과 비교적 간단한 시공을 설명하고 있다.
또 하나의 특징은 선로를 조정하기가 비교적 쉽다는 점이다.
열차가 반복해서 지나가면서 궤도의 높이나 방향에 변화가 발생하면 도상자갈을 보충하거나 다짐하는 작업을 통해 선로 상태를 다시 조정할 수 있다.
하지만 이것은 동시에 자갈도상의 단점이기도 하다.
자갈도상은 왜 계속 유지보수가 필요할까?
자갈도상의 자갈은 완전히 고정된 구조물이 아니다.
열차가 지나갈 때 반복적으로 발생하는 하중과 충격, 진동으로 인해 자갈의 배열이 조금씩 변할 수 있다. 시간이 지나면 궤도의 높이나 방향에도 미세한 변화가 생길 수 있기 때문에 주기적인 도상 다짐과 궤도 정정 작업이 필요하다.
국가철도공단 역시 자갈도상의 경우 진동과 충격으로 자갈이 움직이기 때문에 주기적인 다짐 등의 유지보수가 필요하다고 설명한다.
즉 자갈도상은 보수와 조정이 비교적 쉬운 대신 지속적인 관리가 필요한 궤도 구조라고 이해하면 쉽다.
콘크리트도상이란 무엇인가?
콘크리트도상(Concrete Track)은 자갈이 담당하던 궤도 지지 기능을 콘크리트 구조가 대신하도록 만든 방식이다.
국가철도공단에서는 자갈궤도와 콘크리트궤도에 각각 별도의 철도 설계기준을 두고 있을 정도로 두 구조를 명확하게 구분하고 있다.
콘크리트궤도에서는 침목이나 레일체결장치 등이 콘크리트 구조와 결합되어 레일의 위치를 안정적으로 유지한다. 사용되는 방식에 따라 세부 구조는 달라질 수 있지만, 자갈층 대신 콘크리트 구조가 핵심적인 지지 역할을 한다는 것이 가장 큰 특징이다.
콘크리트도상의 가장 큰 장점은 유지관리
콘크리트도상의 대표적인 장점은 도상 자체에 대한 유지보수 부담이 상대적으로 작다는 것이다.
자갈도상처럼 열차 운행으로 자갈이 이동하면서 배열이 흐트러지는 문제가 없기 때문에 반복적인 도상 다짐 작업을 크게 줄일 수 있다. 먼지 발생 역시 자갈도상보다 적다는 장점이 있다. 국가철도공단도 콘크리트도상이 자갈도상보다 유지보수 작업이 상당히 적다고 설명한다.
따라서 유지관리 작업을 수행하기 까다로운 환경에서는 콘크리트궤도의 특성이 유리하게 작용할 수 있다.
다만 ‘콘크리트궤도는 유지보수가 필요 없다’는 의미는 아니다.
레일과 체결장치, 콘크리트 구조 등의 상태를 계속 점검해야 하며, 실제 철도 유지관리 기준에도 콘크리트도상의 균열 보수와 같은 관리 항목이 존재한다.
콘크리트도상에도 단점이 있다
콘크리트도상이 모든 면에서 자갈도상보다 우수한 것은 아니다.
가장 대표적인 부담은 초기 시공비용이다. 콘크리트 구조물을 정밀하게 시공해야 하기 때문에 자갈도상보다 초기 건설비가 커질 수 있다.
또한 자갈층 자체가 갖고 있던 탄성이 사라지기 때문에 궤도에 필요한 탄성을 확보하기 위한 별도의 구조와 재료를 고려해야 한다. 국가철도공단 역시 콘크리트도상의 단점으로 높은 초기 시공비와 완충을 위한 별도 재료의 필요성을 설명한다.
그리고 이미 만들어진 콘크리트 구조를 큰 폭으로 수정하는 것은 자갈을 다져 위치를 조절할 수 있는 자갈궤도와는 성격이 다르다.
따라서 콘크리트궤도는 처음부터 높은 시공 정밀도를 확보하는 것이 중요하다.
자갈도상과 콘크리트도상, 무엇이 더 좋을까?
두 궤도를 단순히 “어느 것이 더 좋은가”로 비교하는 것은 적절하지 않다.
자갈도상은 비교적 경제적으로 시공할 수 있고 궤도의 상태를 보수·조정하기 쉽다는 장점이 있지만 주기적인 유지보수가 필요하다.
반면 콘크리트도상은 초기 건설비 부담이 크고 탄성을 확보하기 위한 별도의 설계가 필요하지만, 도상 유지관리 부담을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
정리하면 다음과 같다.
실제 철도에서는 노선의 조건과 구조물, 운행 환경, 경제성 및 장기적인 유지관리까지 종합적으로 고려해 적합한 궤도 구조를 선택한다. 국가철도공단의 설계자료 역시 자갈궤도와 콘크리트궤도를 각각 별도의 구조로 다루고 있으며 두 방식이 만나는 접속부까지 별도로 설계하도록 하고 있다.
같은 레일 아래에 숨어 있는 서로 다른 철도 기술
멀리서 바라보면 자갈도상과 콘크리트도상 모두 똑같은 두 줄의 레일처럼 보인다.
하지만 레일 아래를 살펴보면 두 궤도의 구조와 특성은 상당히 다르다.
자갈도상은 자갈의 탄성과 조정 가능성을 활용하는 전통적인 궤도 구조이고, 콘크리트도상은 콘크리트 구조를 이용해 궤도의 안정성과 유지관리 효율을 확보하는 방식이라고 정리할 수 있다.
따라서 어떤 방식이 무조건 우수하다기보다는 철도가 건설되는 환경과 요구되는 성능에 따라 적합한 구조가 달라진다.
다음에 지상 철도나 지하철을 이용할 때 레일 아래를 한번 살펴보자. 자갈이 보이는지, 아니면 콘크리트 구조 위에 레일이 놓여 있는지를 확인하는 것만으로도 그 선로가 어떤 방식의 철도 궤도를 사용하고 있는지 구분해볼 수 있다.