서론
연구개발 개요
도심지역은 지속적인 인구증가로 이용 차량이 늘어남에 따라 교통 시설의 확충 및 공급이 끊임없이 요구되고 있으며, 급속한 도시화로 인하여 교통 혼잡뿐만 아니라 공해 등 환경문제, 도시지역 내 공공 편익시설 및 녹지공간 부족 등으로 도시지역에 거주하는 사람들의 삶의 질은 악화되고 있는 실정이지만, 현재 도시지역의 경우 공간적 한계 등으로 인해 추가적인 개발에 어려움이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 국내･외에서는 지하공간의 이용에 대한 관심이 지속적으로 증가되고 있으며, 국내 서울지역의 경우 서부간선도로, 동부간선도로, 제물포터널, 국회대로, 경의선 및 공항철도의 지하화가 추진 중이며, 부산지역의 경우 만덕-센텀 지하도로 등이 추진 중에 있다.
특히 서울시에서는 지상철도 구간 및 도로 지하화 등에 따른 상부공간의 계획적 활용을 제시하였으며, 지상 철도 및 주요간선도로 지하화 등으로 인한 상부공간은 공원, 녹지 등 시민을 위한 공간으로 활용하는 것을 최우선으로 계획하였다(Construction of Urban Underground Road: Attractive Alternative for Reducing Traffic Congestion, 2016; 2030 Seoul City Basic Plan, 2014).
위와 같이 주요간선도로 및 철도 등을 지하화할 시 전체 연장이 수 km에 달하는 초장대 터널이 형성되며, 초장대 터널 특성상 터널 내부 화재 발생 시는 이용자들의 안전에 매우 치명적일 수 있다.
국내외 초장대 터널 설계 사례를 분석한 결과, 도심지에 계획되는 초장대 터널은 경제성이 높은 복층 형태의 터널이 다수 설계 중인 것으로 검토되었다. 복층 터널은 터널 단면이 작고, 높이가 낮아 화재사고 발생시 일반 터널에 비해 화재연기의 전파시간이 짧은데 반해, 국내 도로터널의 방재기준 상 대피통로 간격은 일반 터널 기준으로 명시되어 있어 화재연기 확산지연장치 등의 추가적인 방재시설물을 통해 터널 이용자가 안전구역으로 대피하는데 필요한 시간을 확보해 줄 수 있는 추가적인 방재시설물이 필요할 것으로 판단된다.
또한, 선행하여 실시한 대심도 복층터널 화재시 연기확산 방지 연구에서도 3차원 CFD를 통해 대심도 복층터널에 화재연기 확산지연장치 작동시 터널차단면적에 따른 연기확산 저감효과를 분석한 결과, 화재연기 확산지연장치가 없는 경우와 대비하여 확산지연설비 설치시 차단면적 비율에 따라 약 10~54%의 화재연기 확산 지연 효과가 발생하는 것으로 분석되었다(A Research for Preventing Smoke Diffusion in Case of Fire in Great Depth Underground Double-Deck Tunnel, 2016).
이에 본 연구에서는 대심도 복층터널 화재발생시 소방법, 도로터널 방재기준 등 기존 법규 및 지침에 의하여 터널내 의무적으로 설치되는 방재시설물 외 터널내부 화재발생시 화재연기가 확산되는 시간을 현저히 지연시킴으로써 터널 내부 이용자가 안전구역으로 대피하는데 필요한 시간을 충분히 확보하도록 하는 화재연기 확산지연장치 연구개발을 진행하였다.
본론
연구개발 조건
본 연구에서 고려되는 화재연기 확산지연장치의 전제조건으로는 화재발생시 터널내 자동화재탐지설비로부터 전기적 위험신호를 전달받아 위험신호 입력과 동시에 작동이 가능하도록 구성하고, 무동력 방식의 시설물을 계획하여 전력 사용 최소화를 콘셉트로 한다. 또한, 적용될 터널 제원은 일반터널보다 크기가 작고, 높이가 낮은 즉, 높은 종횡비를 갖는 대심도 복층터널의 단면을 이용하여 수행하였고, 그 단면 형상은 Fig. 1과 같으며 기본적인 터널 제원은 Table 1에 나타내었다.
Table 1. Tunnel Specification
| Terms | The upper | The bottom |
| Sectional area | 41.51 m2 | 42.50 m2 |
| Perimeter | 31.794 m | 31.865 m |
| Facility limit line | 3.00 m | 3.00 m |
| Duct area | 14.76 m2 | 15.07 m2 |
| Slope | 0.5% | |
화재연기 확산지연장치의 종류 검토
대심도 복층터널 화재연기 확산지연장치의 종류는 각종 기술을 동원하여 매우 다양한 방법으로 고려할 수 있지만 본 연구에서는 확산지연장치의 펴짐과 접힘 기능에 대하여 중점적으로 검토하였다.
Case-1. 스프링 탄성 이용 연기확산 지연장치
스프링 탄성 이용 화재연기 확산지연장치(이하 확산지연장치)는 자동셔터문 및 천막차양을 참고하여 아이디어를 착안 한 것으로, 주요 요점은 기계적 성질을 이용하여 무동력 또는 최소한의 전력과 전기신호만으로 구동이 가능하도록 계획하였다.
확산지연장치의 설치는 터널 천정 덕트면으로 부터 약 300 mm 돌출된 스테인레스 재질의 케이싱을 터널 천정부에 앙카볼트를 이용하여 고정시켜 케이싱 내부에 확산지연장치가 내장 설치되도록 한다.
또한, 확산지연장치가 펼쳐지는 출구부는 덮개로 마감하여 터널내부에 오염물질이 유입되지 않도록 보호하여 비상시에도 문제없이 작동이 가능하도록 하였고, 펴짐시 확산지연장치가 내려오는 길이는 주행차량과의 간섭이 없고, 긴급차량의 진출･입시 불편함이 없게끔 시설한계선까지(조정가능) 계획하였다.
확산지연장치의 구동원리는 스프링의 탄성을 이용한 것으로써 평상시는 Fig. 2(a, c) 그림과 같이 스프링을 감아 놓아 탄성에너지를 최대한 축적되도록 잠금장치로 고정시켜놓고, 화재 발생 시에는 Fig. 2(b, d) 그림과 같이 감아놓은 잠금장치를 해제하여 스프링의 탄성에너지가 운동에너지로 변환되어 터널 상부에서 하부로 내려와 화재연기 확산을 차단하도록 계획하였다.
또한, 평상시 탄성에너지 축적이 쉽고, 에너지 축적시 풀림을 방지하기 위하여 잠금장치는 라쳇기어를 적용하였다.
확산지연장치 설치시 표준길이(폭)는 최대 3 m로 하여 외력의 의한 구동축의 휨 모멘트를 방지하도록 계획하였고, 커튼부는 최대한 가볍게 구성하기 위하여 불연 기능을 가지고 있으며, 중량이 가벼운 카본포 소재로 제작하여 최대한 경량이 되도록 구성하였다.
커튼부는 경량의 카본포로 구성 되어 있어 화재발생시 열기류 및 터널내부 풍속에 의해 펄럭되는 현상으로 화재연기의 확산을 지연시키지 못하는 경우가 발생할 수 있기에, 커튼과 커튼 사이에는 자석 등을 삽입하여 터널의 화재발생시 확산지연장치의 공간의 벌어짐과 펄럭거림을 방지하였다.
Case-2. 자중 이용 다단 낙하 연기확산 지연장치
자중 이용 다단 낙하 화재연기 확산지연장치(이하 확산지연장치)는 평상시 터널 상부에 폴리카보네이트 재질의 판 3조각(1조)이 터널 상부와 수평 방향으로 핀에 의해 고정되어있고, 화재 발생 시에는 고정핀이 전기적 신호에 의해 제거되는 동시에 판 3조각이 중력에 의해 단계별로 하부로 내려오게 된다. 이때 하부로 급격하게 내려오는 것을 방지하기 위해 판 3조각이 맞닿은 측면에 롤러 슬로우 장치를 설치하여 서서히 내려오도록 한다(Fig. 3(b)).
또한, 화재상황 종료시 확산지연장치 원상복구를 위해 마지막 판 조각에 줄을 연결하여 상부에 설치된 도르래를 통해 터널 벽면에까지 내려온 줄을 수동으로 당기면 복구용 줄과 연결된 판이 상승하여 평상시 와 같이 복구하여 고정 시킨다. 이때 판 3조각의 무게는 약 26 kg으로 검토되어 수동방식으로 계획하였다.
폴리카보네이트 판 조각의 크기는 화재시 차량이동이 용이하도록 상부에서부터 약 1.3 m 내려오도록 계획하였다(Fig. 3(a, b)).
대심도 복층터널 상부의 브라켓간 거리가 약 12 m이므로 확산지연장치를 4set로 분할 설치하고, 확산지연장치 설치부를 제외한 브라켓 하부 측면 부분의 사공간은 비교적 좁기 때문에 평시 터널 공기흐름에 크게 방해가 되지 않으므로 동일한 재질의 폴리카보네이트 판을 고정 설치한다.
폴리카보네이트의 제원은 다음과 같다.
① 재질명 : 폴리카보네이트
② 1set 당 규격 : 2,800 mm(w) × 500 mm(h) × 50 mm(t) × 3ea(이음부 200 mm)
③ 1set 당 무게(kg) : 8.4 × 3ea = 25.2 ≑ 26 kg
Case-3. 롤 스크린형 연기확산 지연장치
롤 스크린형 화재연기 확산지연장치(이하 확산지연장치)의 원리는 평상시 터널 천정부에 롤 형식으로 스크린이 말려 고정되어 있고(Fig. 4(a, c)), 화재시 롤 스크린이 하부로 내려오는 방식으로, 전기적 신호에 의해 케이싱이 열리면 롤 스크린이 무게 추(봉)에 의해 자유낙하가 되어, 하부로 약 1.5 m(조정 가능) 펼쳐짐으로써, 터널 내 종방향으로 흐르는 화재연기의 흐름을 지연시키는 장치이다(Fig. 4(b, d)).
구동장치는 현장에서의 비상시 사용을 대비하여 로컬스위치 및 안내판을 설치하여 비상시 현장에서의 수동조작도 가능하도록 구성한다. 또한, 관리사무소에서의 관리자에 의한 수동조작도 가능토록 구성하여 전기적 신호에 의한 자동 구동과, 관리자에 의한 수동 구동이 모두 가능하도록 계획한다.
터널 천정부에 설치되는 롤스크린 케이싱은 사용후 롤스크린을 수동으로 원상복구가 수월하도록 2분할 하여 설치하며, 롤 스크린 재질은 화재연기에 견딜 수 있는 불연재 섬유 재질로 구성한다. 또한, 끝단은 자중으로 자유낙하가 수월하도록 무게추(봉)을 설치하는데 이때, 롤 스크린과 무게추(봉)을 포함한 무게는 유지관리를 고려하여 25 kg 이하(무게추 10 kg 이하, 롤 스크린 15 kg 이하)로 한다.
케이싱은 전면부 구동장치 핀의 탈착에 의해 하부가 열리는 방식으로 하며, 케이싱에 대해 도장처리를 하도록 하고, 케이싱 재질은 강 또는 합금 재질로 하며, 이 외에 녹이나 부식이 발생하지 않는 다른 재질을 적용할 수 있다.
롤 스크린의 복구는 2인 1조로 구성하여, 복구용 봉을 통하여 롤 스크린을 복구한 후, 케이싱 하단부의 결합(구동장치의 핀 결합) 순으로 복구하도록 한다(Fig. 4(e)).
Case-4. 전기동력 이용 연기확산 지연장치
전기동력 이용 화재연기 확산지연장치(이하 확산지연장치)의 구성은 크게 커튼함, 커튼부, 구동기, 구동레일로 구성된다. 구동기의 경우 양방향 구동이 가능한 형식을 적용하고 레일과 구동기 사이에 기어를 결합한다.
커튼함의 경우 STS재질을 사용하며, 커튼이동을 위한 개방부는 오염물질의 침입방지와 커튼의 원활한 이동이 가능한 개구방식을 적용하며, 유지보수를 위하여 측면에 유지관리용문을 설치하도록 한다(Fig. 5(d)).
설치위치는 터널 측벽 상부에 종방향으로 커튼함을 설치하고 커튼함과 터널 횡방향 중앙부까지의 천정부에 타이밍 벨트 및 레일을 터널 중심기준 좌･우 대칭형으로 설치하여야 한다(Fig. 5(a, b)).
작동 원리는 구동기에 의해서 이동이 가능한 타이밍 벨트 및 레일을 설치하고, 타이밍 벨트에 커튼부를 결합시켜 구동기가 가동하면 결합된 커튼부가 상부 설치된 레일을 따라서 자동으로 커튼함에서부터 터널 중앙부까지 이동하여 전개되는 방식이다(Fig. 5(c, d)).
확산지연장치 중 커튼부의 재질은 천정 레일에 설치됨에 따라 무게를 최소화하여야 하고, 화재시 고온의 화재 연기에 장시간 노출이 불가피하므로 불연 재질인 카본휄트를 적용하였으며, 커튼함 적재공간의 최소화를 위하여 접이가 용이하도록 블라인드커튼 방식으로 검토하였다. 이때 블라인드커튼의 프레임 또한 고온의 화재 연기를 감안하여 알루미늄 재질을 적용하였다. 따라서, 터널 좌･우 대칭 설치시 커튼부의 한쪽 당 길이는 약 6 m이고, 카본휄트 + 알루미늄 프레임의 무게는 약 40 kg으로 산출되었다. 이에 따라 확산지연장치 구동기의 추력은 블라인드형식의 커튼부 및 레일 연결부의 무게와, 레일의 마찰력, 커튼부 가동시 영향을 끼칠 수 있는 터널 내 풍속 등을 감안 할 때 40 kg의 1.5배인 60 kg 이상의 추력이 필요할 것으로 추정된다. 따라서, 본 확산지연장치는 구동기를 가동하여야 하므로 전력공급이 필수적인 특징이 있다.
유지관리 측면으로는 구동기의 정회전 및 역회전이 가능하여 점검시 작동이 간편하므로 점검차로 차단외 부가적인 제한사항이 극히 적다.
결론
본 연구에서는 화재 연기가 확산되는 시간을 지연시켜 터널 내부 이용자가 안전구역으로 대피하는데 필요한 시간을 확보하도록 하여 화재연기 피해를 최소화할 수 있는 화재연기 확산지연장치 연구개발을 진행하였고, 상기 본문과 같이 4가지 케이스의 화재연기 확산지연장치를 연구 및 검토하였다. 그 결과
Case-1 ｢스프링 탄성 이용 연기확산 지연장치｣는 스프링 탄성을 이용하는 무동력 방식으로써 화재발생시 신속한 작동으로 화재발생 즉시 대처가 가능하고, 포터블 방식으로 제작이 용이하므로 각종 터널에 대한 적용성이 우수하며 유지관리 또한 편리하여 상품가치가 높을 것으로 분석됨.
Case-2 ｢자중 이용 다단 낙하 연기확산 지연장치｣는 제연판 자체의 자중(중력)을 이용하는 무동력 방식으로써 화재발생시 신속한 작동으로 화재발생 즉시 대처가 가능하고, 비교적 저렴한 비용으로 제작이 가능할 것으로 판단되며 유지관리시는 인력투입이 불가피하여 유지관리 측면에서 보완이 필요함.
Case-3 ｢롤 스크린형 연기확산 지연장치｣는 롤 스크린 자체의 자중(중력)을 이용하는 무동력 방식으로써 화재발생시 신속한 작동으로 화재발생 즉시 대처가 가능하고, 포터블 방식으로 제작이 용이할 것으로 판단되며 유지관리시는 인력투입이 불가피하여 유지관리 측면에서 보완이 필요함.
Case-4 ｢전기동력 이용 연기확산 지연장치｣는 구동기와 레일의 작동을 통하여 커튼부가 이동하여 전개되는 방식으로 화재시 및 유지관리시 사용이 간편하나, 화재발생시 비교적 작동시간이 늦고, 고장으로 인한 미작동이 우려되며 전력 사용으로 전기공사비가 증가하는 단점이 있는 것으로 분석됨.
Table 2는 각 방식별 세부적인 특징을 요약하였다.
Table 2. Result Table
각각의 Case에 대한 상세검토 결과, Case-1이 가장 적용성이 뛰어나며 경제적으로써 상품가치가 높고 유지관리측면 또한 우수한 것으로 검토되어 상세 개발을 진행할 것이다. 또한, 향후에 후속 연구로 시제품 제작과 실물테스트를 수행하여 추가적인 제품개선 및 문제점 보완 등을 수행할 계획이다.
