서론
통계청 장래인구추계 시도편(2014)에 따르면 2021년 이후로 전 국민의 50%를 초과하는 약 2600만 명이상의 인구가 수도권에 거주하는 것으로 분석되었다.
이렇듯, 수도권에 지속적인 인구증가로 인해 국가의 인적, 물적 자원이 집중돼 있고 수도권 과밀화에 따른 엄청난 국가적 낭비(교통문제, 주택문제, 환경문제 등)를 가져오고 있다. 특히 수도권 도로와 택지 개발 역시 포화상태로 인해 추가로 건설할 수 있는 교통망도 여의치 않은 상황에 이르렀다.
이러한 문제 해결을 위해 서울시의 경우 지하 40 m 이상 깊이에 도로 및 철도시설을 지하화 하는 방안이 제안되었으며, 이와 같은 대심도 터널에 대하여 활발한 검토 및 진행이 이루어지고 있다.
도시고속도로의 수요적 측면에서 이용 차종 중 소형차의 비율이 90%로써 대부분을 차지하고, 방재 · 안전 측면에서 대형사고 발생 비율이 대형차에 비해 소형차가 약 50% 정도로 낮아 전차종 이용 터널에 비해 소형차전용 터널이 방재 및 환기가 유리하며, 건설 및 유지관리 측면에서 터널 단면 축소로 인해 공사비 절감 효과가 높다(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, 2015).
최근 국내에서도 건설 중인 소형차전용 도로터널이 있으며, 신규로 계획하는 터널을 소형차전용 도로터널로 적용하는 검토가 활발하게 진행 중이지만, 대심도에 계획되는 소형차전용 도로터널에 대해서는 별도의 설계 기준이 명확하게 정립되어 있지 않아 전차종이용 도로터널에 대한 설계 기준을 적용하고 있는 실정이다. 또한 전차종 이용 도로터널보다 높이 및 단면적이 작은 소형차전용 도로터널은 지상도로 교통균형을 맞추기 위해 지하에서 다른 터널과의 교차로(JC)와 다수의 진 · 출입로(IC)가 있는 네트워크형 복층터널로 구성된다. 이런 터널 내부에서 화재가 발생한다면 화재연기의 전파속도가 전차종 이용 도로터널보다 더욱 빠르게 전파되어 터널 이용객의 안전에 치명적일 수 있으므로, 전차종 이용 도로터널에 적용되는 기준에 따른 방재설비 외 소형차전용 도로의 구조적 단점을 보완할 수 있는 방재시설의 추가가 필요할 것으로 판단되었다.
이에 따라, 소형차전용 복층터널에 설치 가능한 화재연기 확산지연장치 개발을 위해 선행 연구되었던 ‘대심도 복층터널 화재 시 연기확산 방지연구’(Yang et al., 2016)에서 3차원 CFD 해석을 통하여 화재연기 확산지연장치 작동 시 본선 차단면적에 따른 연기확산 지연효과를 분석하였고 ‘대심도 복층터널 화재연기 확산지연장치 연구개발’(Yang et al., 2017)에서는 스프링 탄성형, 자중이용 다단 낙하형, 롤스크린형, 전기 동력 이용형 등 각각의 특성을 분석하였다. 각각의 특성을 분석한 결과 대심도 복층터널에 적용성이 뛰어나며 경제적으로 상품가치가 높고 유지관리가 우수한 스프링 탄성형 화재연기 확산지연장치를 선정, 개발하여 시제품을 제작하였고 ‘대심도 복층터널에 설치 가능한 화재연기 확산지연장치 성능평가연구’(Yang et al., 2018)에서는 시제품을 복층터널 본선과 동일하게 구성한 실스케일 모형에 설치하여 실물 실험을 통해 화재연기 확산지연장치의 연기확산지연 효과를 검증하였으며, 후속 연구인 본 연구에서는 선행 연구된 결과를 바탕으로 화재연기 확산지연장치를 네트워크형 복층터널에 설치 시 최적의 성능을 도출하기위한 적정 설치간격과 차폐율 분석을 위해 3차원 전산수치해석(Computational Fluid Dynamics)을 이용하여 다수의 Case Study를 수행하여 그 결과를 도출하였다.
본론
수치해석
본 연구에 적용된 터널은 대심도 복층터널이며, 그 단면형상은 Fig. 1과 Table 1의 제원을 이용하여 수치해석을 진행하였다.
Table 1. Tunnel specification
화재연기 확산지연장치의 설치간격 및 차폐율에 따른 화재연기 지연효과를 분석하기 위하여 화재연기 확산지연장치의 설치 간격은 100 m, 200 m, 300 m, 400 m, 500 m 등 5가지를 선정하였고, 설치 간격별 차폐율은 각각 18%(지연장치 길이: 0.6 m → 상부로부터 시설한계선까지의 길이), 50%(지연장치 길이: 1.7 m → 상부로부터 터널 단면적 차폐율 50%에 해당하는 길이), 80%(지연장치 길이 : 2.7 m → 상부로부터 주행차로 공동구 상부까지의 길이) 3가지를 선정하여 총 15가지 Case에 대하여 비교 분석하였다(Table 2). 아래 Fig. 2는 차폐율에 따른 해석개요를 나타내었다.
Table 2. Analysis condition
수치 해석 방법 및 경계조건
본 연구해석에 사용된 화재 강도는 국토교통부의 도로설계편람(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2011)과 도로터널 방재시설 설치 및 관리지침(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2016)의 권장사양인 20MW(버스 1대의 전소 규모)를 적용하였고, CO발생량은 승합차량 화재 시 CO 발생량 평균치 값인 0.1025 kg/s를 적용하였다. 20 MW 화재의 성장은 2차 함수에 의하여 적용하였고 Table 3, Fig. 3(Yoo et al., 2013; Oh et al., 2013)에 표시하였다. 터널 입 · 출구부 경계조건은 압력경계조건(Pressure outlet condition)으로 적용하였으며, 해석시간은 600초까지 해석하였다.
Table 3. Fire growth rate
| Division | Value |
| Heat release rate (MW) | 20 |
| Fire load (GJ) | 41 |
| Growth rate (α) | 0.1 |
| Decay rate (β) | 0.002 |
| Growth time (Sec) | 450 |
| Persistency time (Sec) | 1,402 |
화원은 CO발생량을 결정짓는 중요한 요소이다. 화원모델은 승용차 측면부에 일정 체적을 화재로 모사했으며, 자세히는 국토교통부의 도로설계편람(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2011)에 명시된 차종별 차량제원 중 승용차 차체규격 Table 4를 기준으로 승용차 양 옆에 너비 1.0 m의 크기로 모델링 하였다(Fig. 4).
Table 4. Carbody & Fire standard
| Terms | Length | Width | Height |
| Passenger Car | 4.34 m | 1.68 m | 1.44 m |
| Fire | 4.34 m | 1.00 m | 1.44 m |
전산수치해석은 상용프로그램인 Ansys사의 Fluent를 이용하여 3차원 수치해석을 진행하였다. Fluent는 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 CFD(Computational Fluid Dynamics)프로그램으로 다양한 유동 현상에 대한 3차원 해석이 가능하다. 화재발생 후 경과시간에 따라 화재연기 확산지연장치의 설치간격 및 차폐율에 따른 화재연기지연 효과를 분석하기 위해 연산상태는 비정상상태(Unsteady State Condition)에서 수행하였으며, 난류모델은 Standard k-ε 난류모델을 사용하였다(Table 5).
Table 5. Analysis conditions
| Terms | Adaption model |
| Flow pattern | Unsteady state condition |
| State of flux | Incompressible ideal gas |
| Turbulence models | Standard k-ε model |
수치 해석 모델링
해석을 위한 터널 모델링은 대심도 복층터널 중 하층(Lower tunnel)을 모델링 하였고, 터널 연장은 2.5 km, 화재 위치는 터널 중앙(1.25 km)에 배치하여 모델링 하였으며, 터널 상부 콘크리트 덕트의 경우 배기 덕트만을 모델링 하였다. 배기 댐퍼는 화원을 기준으로 500 m 구간에 50 m 간격으로 배치하였고 2 m × 2 m 크기로 모델링 하였다. 화재연기 확산지연장치는 화재 발생 지점을 기준으로 장치 간 거리를 100 m간격으로 최소 100 m에서 최대 500 m까지 5가지를 선정하고 이에 따른 차폐율 18%, 50%, 80% 3가지를 선정하여 총 15가지 Case로 모델링 하였다. 아래 Fig. 5는 Case 1(설치간격: 100 m, 차폐율 : 18%)을 모델링 한 것이다.
해석결과
국토교통부의 도로설계편람(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2011)의 내용 중 연기역류현상 분석 시 적용되는 CO농도 100 ppm을 기준으로 화재연기 확산지연장치의 설치간격 및 차폐율에 따른 화재연기확산 지연효과를 600초 기준으로 하여 각각의 Case 별로 화재연기 전파거리에 따른 화재연기 지연효과에 대하여 분석하였다(Figs. 6~12).
600초를 기준으로, 화재연기 확산지연장치의 설치간격이 100m이고 연기확산 지연장치의 차폐율이 18% (Case1)인 경우 화재연기 전체(상류, 하류)의 전파거리는 561 m로 나타났고, 차폐율이 50%(Case2)인 경우 500m, 80% (Case3)인 경우 366 m로 분석되었다(Fig. 6).
장치 설치간격이 200m이고 차폐율이 18%(Case4)인 경우 화재연기 전체의 전파거리는 562 m이고, 차폐율이 50%(Case5)인 경우 509 m, 80%(Case6)인 경우 368 m로 분석되었다(Fig. 7) 또한 장치 설치간격이 300 m이고 차폐율이 18%(Case7)인 경우의 연기전체의 전파거리는 564 m이고 차폐율이 50%(Case8)인 경우 518 m, 80%(Case9)인 경우 382 m로 나타났으며(Fig. 8), 장치 설치간격이 400 m이고 차폐율이 18%(Case10)인 경우의 연기전체의 전파거리는 565 m, 차폐율이 50%(Case11)인 경우 520 m, 80%(Case12)인 경우 383 m로 분석되었다(Fig. 9).
마지막으로, 장치 설치간격이 500 m이고 차폐율이 18%(Case13)인 경우 연기전체의 전파거리는 568 m이며, 50%(Case14)인 경우 521 m, 80%(Case15)인 경우 385 m로 분석되었다(Fig. 10).
결론
대심도 복층터널 화재연기 확산지연장치 설치간격 및 차폐율에 따른 화재연기 지연효과 분석을 위해 3차원 전산 수치해석을 이용하여 화재발생 후 600초를 기준으로 분석한 결과 연기확산 지연장치의 설치간격이 500 m에서 100 m로 짧아질수록, 차폐율은 18%에서 80%로 커질수록 연기확산 지연효과가 높은 것으로 분석되었다.(Figs. 11, 12) 차폐율이 18%와 50%인 경우에는 설치 간격에 따른 연기확산 지연효과를 연기전파 거리로 비교하였을 시 1~2 m 차이가 발생하여 미소한 것으로 분석되었으나, 차폐율이 80%인 경우 설치간격 100 m와 200 m는 연기전파 거리가 각 366 m, 368 m로 2 m의 거리 차이를 보인 것에 반해 설치간격 300 m, 400 m, 500 m의 연기전파 거리는 각 382 m, 383 m, 385 m로서 100 m와 비교 시 16~19 m가량 연기전파 거리가 늘어났다(Table 6). 따라서 화재연기 확산지연장치의 설치간격이 200 m 이상이 되면 화재연기 지연효과가 떨어지는 것으로 분석되었으며 이러한 현상은 연기확산 지연장치를 300 m 이상의 간격으로 설치한 경우에는 100 m와 200 m 간격으로 설치했을 때보다 터널내부로 유입되는 풍량이 증가하여 100 ppm 수준으로 희석되는 CO가스량이 증가하므로 연기확산 거리가 늘어나는 것으로 분석되었다.
Table 6. Analysis result
위의 분석 결과를 종합하면 화재연기 확산지연장치는 설치간격 100 m, 차폐율 80%로 설치 시 연기전파 속도가 가장 느리고 연기확산 지연효과가 우수한 것으로 분석되었으나, 설치간격 200 m와 비교 시 연기전파 거리차이는 2 m 밖에 나지 않는 것으로 분석되었다. 따라서 연기전파 거리로만 본다면 Case3(장치 설치간격 : 100 m, 차폐율 : 80%)이 366 m로 가장 짧으나 화재연기 지연효과가 200 m간격 설치 시와 비교하였을 시 2 m 차이로 효과가 미소하므로 설치간격은 200 m 이내로 설치하는 것이 화재연기 지연효과 효율과 경제성 측면에서 유리할 것으로 판단된다. 추가적으로 후속 연구에 있어 터널 본선의 종방향 기류에 대한 영향을 추가 반영한다면 설치간격 및 차폐율에 따른 효과를 더욱 정확하게 분석할 수 있을 것으로 판단되며, 또한 상사법칙을 적용한 모형실험을 실시하여 수치해석 결과와 비교해 보는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
