산악철도는 어떻게 산을 오르는가: 루프, 나선, 스위치백, 랙

열차가 산을 곧장 오르지 못하는 이유와, 곡선·나선·스위치백·랙레일·고가교로 높이를 얻는 방법을 GONOM 영상과 함께 설명합니다.

문제의 출발점: 쇠바퀴와 쇠레일

열차가 선로를 붙잡는 힘은 쇠바퀴와 쇠레일이 맞닿는 아주 작은 면에서만 나옵니다. 이 마찰력을 점착력이라고 하는데, 평지에서는 수백 톤을 움직이기에 충분하지만 선로가 기울어질수록 빠르게 약해집니다. 백과사전류 자료에서는 일반 점착식 철도의 실질적인 한계를 약 10퍼센트로 봅니다. 대부분의 간선은 출발과 제동, 젖은 레일에 대비한 여유를 두어야 하므로 이보다 훨씬 완만하게 지어집니다. 그래서 산을 넘으려는 철도는 오르막을 훨씬 긴 거리에 나누어 펼칠 방법을 찾아야 합니다.

경사는 두 가지 방식으로 표기합니다. 2퍼센트는 100m를 갈 때 2m를 오른다는 뜻이고, 영국식으로는 같은 경사를 약 '1 in 50'으로 적습니다. 영상을 보실 때 이 숫자를 기억해 두시면 좋습니다. 제메링 철도는 대부분의 구간에서 경사를 2~2.5퍼센트로 유지하고, 빙하특급 노선의 알불라선은 3.5퍼센트, 플롬 철도는 5.5퍼센트, 베르니나선은 7퍼센트까지 오르는데, 모두 랙 없이 점착력만으로 운행합니다.

등고선을 따라 선로를 길게 늘이기

가장 오래된 방법은 일부러 먼 길을 돌아가는 것입니다. 옆 골짜기를 높은 다리로 건너는 대신 선로가 골짜기 안으로 들어가 한쪽 비탈을 따라 오르고, 골짜기 끝에서 크게 돌아 반대편 비탈로 다시 나옵니다. 이렇게 되돌아 나오는 곡선을 말굽 곡선(horseshoe curve)이라고 합니다. 거리가 늘어나는 만큼 경사는 완만해집니다. 다만 곡선 반경에는 한계가 있어, 너무 급한 곡선은 열차 속도를 떨어뜨리고 레일을 빨리 닳게 합니다.

카를 폰 게가는 1850년대 제메링 철도를 지으며 이 방식을 썼고, 반경이 190m에 불과한 곡선으로 골짜기 비탈을 따라갔습니다. 제메링 운전실 영상에서는 1분 뒤에 지나갈 선반길이나 고가교가 옆 골짜기 건너편에 먼저 보이는 장면이 자주 나옵니다. 화이트 패스 앤드 유콘 루트도 화강암 절벽에 낸 선반길을 따라 약 32km 동안 879m를 오르고, 브라질의 세하 베르지 익스프레스는 세하 두 마르 산맥을 선반길과 터널, 곡선으로 휘어진 카르발류 고가교를 따라 내려갑니다.

나선: 골짜기가 너무 좁을 때

좁은 협곡에는 크게 돌아갈 공간이 없으므로, 선로가 한 바퀴를 완전히 돌아 자기 자신 위나 아래를 지나가며 높이를 얻습니다. 이것이 나선과 말굽 곡선의 차이입니다. 나선은 자기 선로와 입체로 교차합니다. 상당수는 바위 속에 감춰진 나선 터널입니다. 빙하특급 영상의 알불라 구간에서는 프레다와 베르귄 사이에 나선 터널 세 개, 곡선 터널 두 개, 고가교 네 개가 이어지며, 직선거리 6.5km를 선로 12km로 내려갑니다. 한 방향을 보고 터널에 들어갔다가 반대 방향을 보며 나오게 됩니다.

고트하르트 산악선에는 레벤티나 계곡의 비아스키나 협곡과 피오티노 협곡에 나선 터널이 있고, 바센 주변의 루프 구간에서는 마을 교회가 높이를 달리하며 세 번 보입니다. 베르니나선은 브루지오 나선 고가교에서 나선을 지상에 드러내 놓았는데, 선로가 자기 아치 밑을 지나가는 장면을 볼 수 있습니다. 다르질링 히말라야 철도의 굼 아래에 있는 바타시아 루프는 경사를 줄이기 위해 1919년에 만들어졌습니다.

스위치백: 전진, 정지, 후진

스위치백(지그재그)은 비탈을 직선 구간으로 나누어 오릅니다. 열차가 막다른 선로로 들어가 서면 뒤쪽 분기기가 바뀌고, 열차는 반대 방향으로 다음 구간을 오르며 Z자를 그립니다. 나선보다 짓기 쉽고 터널도 덜 필요하지만 시간이 걸리고, 열차 길이가 가장 짧은 막다른 선로보다 길 수 없습니다. 그래서 스위치백은 주로 작고 가파른 노선에 남아 있고, 많은 곳이 새 선로로 대체되었습니다.

다르질링 히말라야 철도는 지금도 지그재그 여섯 곳과 루프 세 곳을 쓰며, 1882년에는 수크나와 가야바리 사이의 루프와 지그재그로 경사를 1 in 28로 고르게 했습니다. 알리산 삼림철도의 운전실 영상은 해발 1,827m의 제일분도(第一分道)역에 이른 뒤, Z자 스위치백을 따라 해발 2,000m 위로 올라갑니다. 2001년에 촬영된 영동선 영상은 흥전과 나한정 사이에 있던 국내 유일의 스위치백을 보여 줍니다. 방금 내려온 선로와 곧 탈 선로가 같은 비탈에 위아래로 놓여 있습니다. 이 구간은 2012년 길이 16km가 넘는 나선형 솔안터널로 대체되었습니다.

랙 앤드 피니언: 점착력만으로 부족할 때

경사가 일정 수준을 넘으면 레일 사이에 톱니 레일을 깔고, 차량 밑의 톱니바퀴(피니언)를 여기에 맞물리게 합니다. 랙식 철도는 어떤 점착식 철도보다 훨씬 가파른 비탈을 오를 수 있고 제동도 더 확실합니다. 전 구간이 랙인 노선도 있고, 평소에는 일반 철도처럼 달리다가 가장 가파른 구간에서만 랙을 쓰는 노선도 있습니다. 대표적인 방식은 랙 모양이 다릅니다. 리겐바흐식은 강철 사다리처럼 생겼고, 아프트식은 톱니 위치를 엇갈리게 한 톱니 막대 두세 줄을 나란히 놓습니다.

닐기리 산악철도는 칼라르와 쿠누르 사이에서 아프트식 랙을 쓰며, 이곳의 경사는 1 in 12에 이릅니다. 인도에서 지금도 운행하는 유일한 랙 철도입니다. 증기기관차가 열차의 아래쪽 끝에 붙어 있기 때문에, 영상은 맨 앞 객차에서 앞을 내다보며 시속 13km 안팎으로 오르는 모습을 담고 있습니다. 그린델발트로 가는 베르너 오버란트 철도에서는 최대 12퍼센트인 짧은 두 구간에서 선로 한가운데의 리겐바흐식 랙을 찾아보시기 바랍니다.

다리와 터널, 그리고 베이스 터널이라는 지름길

곡선과 나선은 협곡을 건너고 산줄기를 뚫을 수 있어야 비로소 쓸모가 있으므로, 산악철도는 고가교의 철도이기도 합니다. 빙하특급 노선의 란트바서 고가교는 높이 65m로, 반경 100m의 곡선을 그리며 절벽의 터널로 곧장 들어갑니다. 제메링 철도의 칼테 리네 고가교는 높이가 46m이고, 닐기리 철도의 애덜리 고가교는 애덜리 급수 정차지를 지나 곧 협곡을 건넙니다.

현대의 해법은 길고 낮은 베이스 터널로 오르막 대부분을 피하는 것입니다. 2016년부터 고속 열차는 옛 고트하르트선보다 약 500m 낮은 57km 터널을 지나고, 제메링 아래에도 2030년경 베이스 터널이 개통될 예정입니다. 그래도 옛 노선이 남는 것은 천천히 달릴 가치가 있기 때문입니다. 어느 영상을 보시든 역의 해발고도와 경사 수치를 눈여겨보시고, 지금 이 순간 기술자들이 어떤 방법을 쓰고 있는지 생각해 보시기 바랍니다.