세계가 자랑하는 일본 신칸센의 강점과 약점 ⑥ ~터널 압력파와의 사투!~

지난번에는 “분기(포인트)”에 대해 이야기했습니다. 이번에는 예고대로 “좁음”에 대해 다루겠습니다.

“좁다”라고 해도 신칸센 차량의 크기를 말하는 것은 아닙니다. 실제로 신칸센을 타보면 알 수 있듯이, 2열과 3열로 총 5열이 있습니다. JR 동일본의 도호쿠 신칸센이나 조에츠 신칸센 같은 경우에는 3열+3열의 6열인 곳도 있었습니다. 일반적인 전철 특급 열차는 2열+2열의 4열이 보통이죠. 역시 신칸센 차량은 넓다는 뜻입니다. 여기서 말하는 “좁음”이란, “터널”이나 “역전(추월) 시 간격”의 좁음을 의미합니다.
일본 신칸센 터널의 단면적은 기본적으로 약 65㎡ 정도입니다. 차체가 큰 신칸센도 충분히 통과할 수 있는 크기이지만, 해외 고속철도의 표준은 100㎡ 이상인 경우가 많습니다. 왜 터널 단면적이 클수록 좋은지 설명하자면, 작을수록 열차가 터널에 진입했을 때 공기 저항이 커지고, 그로 인해 열차에 가해지는 충격이나 흔들림이 커지기 때문입니다. 또한 고속으로 진입한 차량에 의해 터널 내부의 공기가 반대편으로 밀려나가면서, 맞은편 출구에서는 “터널 쾅(トンネルドン)”이라고 불리는 충격파가 발생하여 포격 같은 소리가 나기도 합니다. 역전 시 간격 역시 “좁다”고 할 수밖에 없습니다. 열차들이 서로 지나치는 선로 중심 간 거리는 일본 신칸센의 표준이 약 4.3m 정도이지만, 해외 고속철도는 가볍게 5m 이상인 경우가 많습니다. 프랑스의 TGV 같은 고속철도에서는 무려 10m 구간도 있습니다. 가능한 한 부지 매입을 줄이고 건설 비용을 아끼고 싶었던 일본에게는 어쩔 수 없는 선택이었겠지만, 이것이 고속으로 역전할 때의 충격이나 흔들림 문제를 야기하게 된 것입니다.
각각의 문제들을 어떻게 극복해 왔을까요? 초창기 0계 신칸센은 동그란 코를 가진 듯한 외관이었습니다. 현재 도카이도 신칸센의 주력 차량인 “N700계”는 흰색 바탕에 파란 라인을 제외하면 0계의 흔적을 찾아보기 어렵습니다. 그럴 만도 합니다. “유전 알고리즘”을 도입하여 디자인되었기 때문입니다. 물론 문과생인 저에게는 유전 알고리즘 같은 것은 이해하기 어려웠지만… 어쨌든 이를 적용하고, 나아가 터널 진입 시 단면적 변화율을 일정하게 유지하는 설계로 그 외관이 완성되었습니다. 터널 문제에 크게 신경 쓸 필요가 없는 해외 고속철도의 모습과 다른 일본만의 독자적인 디자인이 된 것도 이러한 이유 때문입니다. 또한 역전 충격이나 흔들림을 줄이는 데 효과를 발휘했다는 점은 더 말할 나위가 없습니다.