1. 서 론

철도는 운송에너지의 효율성, 환경 친화성, 안전성 등이 도로보다 우수한 것으로 알려져 있으며, 그린 에너지 운송수단으로 평가받고 있다. 국내의 경우에는 경부, 호남 및 원주-강릉 간 고속철도의 개통과 더불어 기존 철도노선에 대한 선형개량 사업이 활발히 진행되고 있으며, 이에 따라서 장대터널의 건설이 급격하게 증가하고 있는 실정이다. 그러나 대구지하철 화재사고에서 알 수 있는 바와 같이 터널에서 화재사고가 발생하면 제연 또는 배연의 제약으로 인하여 유독가스 및 열에 의한 인명피해가 발생할 가능성이 높으며, 열차는 화재가 발생하면 많은 승객이 동시에 화재에 노출되기 때문에 대형화재사고로 발전할 가능성이 높다.

이에 철도터널에는 화재 시 안전성을 확보하기 위해서 각종 방재시설을 설치하도록 법이나 기준으로 정하고 있으며, 국내의 경우에는 “철도시설 안전기술 기준” (MOLIT, 2008)에 1 km 이상의 터널은 정량적인 방법에 의해서 화재 안전성 평가를 수행하도록 명문화하고 있다. 이는 철도터널의 방재시설에 대해서 성능위주 설계기법을 도입하여 철도터널의 방재시설의 설치에 따른 위험도를 정량적으로 평가하고 시설의 설치여부를 결정하도록 하기 위한 것이다. 특히, 방재시설 중 연결송수관설비, 제연설비, 피난연결통로는 대피환경을 확보하기 위한 수단으로 인명안전에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있으나 설치비용이 타 설비보다 고가로 경제성 확보 측면에서 정량적 위험도 평가를 수행하여 설치여부를 정하도록 하고 있다.

터널에서 열차화재에 대한 정량적 위험도 평가는 화재발생 시나리오를 작성하고 시나리오별 사고발생빈도 및 사고결과를 사망자 수나 경제적인 비용을 산정하고 이들의 곱으로 위험도를 예측하고 사회적 위험도 평가기준 등 위험도 평가기준과 비교하여 위험수준의 적정성을 평가하는 것으로 주로 유럽국가에서 도입되기 시작하여 현재는 전 세계적으로 도입하고 있는 추세이다.

국내의 경우 “철도터널 화재안전성 평가 매뉴얼” (Railway Safety Research Group, 2014)에 차종별 화재성장곡선(대화원/표준화원), 화재지점, 화재열차의 위치, 대피시간지연, 제연 또는 배연시스템의 작동여부, 초기소화/화재의 확대 등을 고려하여 이벤트트리(event tree)기법에 의한 사고발생시나리오를 제시하고 있다.

화재발생 시나리오에 있어서 위험도 평가결과에 주된 영향을 미치는 인자는 대피시간의 지연, 화재확대확률, 화재열차의 터널 내 정차확률, 제연시스템의 운전 및 대피방향의 상관관계 등이며, Yoo et al. (2015a, 2015b)은 제연풍속과 대피방향에 따른 대피특성을 분석하는 연구를 수행한 바가 있다. 그러나 화재시나리오 작성 시 이벤트에 대한 분기비를 명확하게 제시하지 못하고 있는 실정이며, 이들 영향인자가 위험도 평가결과에 미치는 영향에 대해 충분한 연구가 이루어지지 못한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 모델터널을 대상으로 하여 화재성장곡선에 따른 화재해석을 수행하고 대피시간 지연을 고려한 대피해석을 수행하여 화재의 지속여부와 피난개시 시간지연이 정량적 위험도 평가 결과에 미치는 영향을 검토하고자 한다.

2. 화재위험도 평가조건

2.1 모델터널의 제원

위험도 평가를 위한 모델터널의 제원은 터널연장은 15 km, 터널단면적은 57 m², 터널의 경사도는 1.5%로 하였다. 일교통량은 20량의 중련편성 편도기준 80편으로 하였으며 통과열차는 일교통량은 , 열차의 총 탑승인원은 800명으로 하였다. 화재열차가 화재 시 터널에 정차확률은 열차의 제동 감속도를 3.5 km/h/s로 하여 Ryu et al. (2018)의 연구결과에서 제시하고 있는 몬테카를로 시뮬레이션 기법에 의해서 계산하여 10.1%를 적용하였다.

2.2 화재사고 시나리오

화재사고시나리오는 “철도터널 화재 안전성 평가 매뉴얼”에 근거하여 작성하였다. 터널 내 화재 위치는 입구부, 중간부, 출구부 3개소로 구분하고 열차 중 화재차량위치는 5개 지점(선두, 5호차, 중앙, 15호차, 후미)을 고려하였다. 제연모드와 대피방향은 Yoo (2015a)의 연구결과에서 제시한 바와 같이 9개의 조건으로 검토하였으며, 제연과 대피방향에 따른 분기비는 각각 Table 1과 같이 적용하였다.

Table 1. Event ratio according to the direction of smoke control and evacuation

또한 본 연구에서는 피난 개시시간 지연, 화재확산 및 화재강도에 따른 영향을 검토하기 위하여 다음과 같은 조건을 고려하였다.

2.2.1 화재성장곡선

철도터널의 화재 위험도 평가를 위해서는 비정상상태(unsteady state)의 화재해석이 요구되기 때문에 시간경과에 따른 화재강도를 나타내는 화재성장곡선이 필요하다. “철도터널 안전성 평가 매뉴얼”에 1량이 전소되는 조건으로 최대 화재강도를 15 MW로 하는 화재성장곡선이 Fig. 1의 FC1로 제시되어 있다. 그리고 소화설비가 없는 경우에는 화재가 지속되는 것으로 고려하여 FC2를 적용하는 것을 권고하고 있다.

Fig. 1.

Fire growth curve and egress start time

이에 본 검토에서는 화재성장곡선의 영향을 검토하기 위해서 전술한 화재성장곡선을 포함하여 고타드 터널(Favre and Gerber, 1999)의 설계 시 적용한 1/3중첩법에 의해서 화재가 확산되는 화재성장곡선(FC3)을 적용하여 화재성장곡선이 정량적 위험도평가 결과에 미치는 영향을 검토하였다.

2.2.2 피난 개시시간 지연

“철도터널 화재안전성 평가 매뉴얼”에는 터널 운행 중에 화재가 발생하는 경우, 피난개시 지연시간을 화재감지(30초) + 운전제어통신(1분) + 비상운전 및 정지(2~15분)시간을 고려하여 최소 3분 30초에서 부터 16분 30초를 고려하도록 예시하고 있다.

이에 본 연구에서는 피난개시시간 지연의 영향을 검토하기 위하여 다음과 같이 피난개시시간을 선정하였다.

- EST0: 가장 신속하게 피난을 개시하는 조건(3분 30초).

- EST1: 화재강도가 1 MW에 도달하는 시간(673초)의 1/2시간 내에 대피를 개시하는 조건(340초).

- EST2: 화재강도가 1 MW에 도달하는 시점에서 대피를 개시하는 조건(673초).

- EST3: 화재가 Flash over에 도달한 후에 대피를 개시하는 조건(837초).

2.3 위험도 평가기준

위험도 평가기준은 사회적 위험도 평가기준, 연간 예상 사망자수인 RI (Risk Index or EV: Expected Value) 및 개인적 위험도 IR (Individual Risk)로 제시하고 있다.

사회적 위험도에 의한 평가는 시나리오별 사망자수와 발생확률을 구하여 N명 이상이 사망할 누적확률 F를 도식화한 F/N선도를 예측하고 이를 사회적 위험도 평가기준과 비교하여 위험의 수준을 평가하는 방법으로 일반적으로 도로터널이나 철도터널의 위험도 및 방재시설의 적정성여부를 판단하는데 많이 사용되고 있다. 각국의 사회적 위험도 평가기준은 상당한 차이가 있으며, Fig. 2에 각국의 사회적 위험도 평가기준을 정리하여 나타냈다. 우리나라의 경우(KR), F = 10^-3N^-1의 기준을 적용하고 있으나, 각국(Jonkman et al., 2003; Diamantidis, 2008)의 기준과 비교할 때 비교적 완화된 기준을 적용하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 2.

Societal risk criteria

RI값은 연간 예상되는 사망자수를 의미하며, 식 (1)로 계산하며, IR은 개인적 위험도로 터널 화재 사고에 노출되는 개인이 사고로 인해 사망할 확률을 나타내는 값으로 식 (2)로 계산된다. 각국의 RI 및 IR에 대한 기준을 정리하면 Table 2와 같다(Beard and Cope, 2007; WRA, 2012).

$\mathrm{RI}=\underset{\mathrm{i}=1}{\overset{\mathrm{n}}{𝛴}}{\mathrm{f}}_{\mathrm{i}}·{\mathrm{N}}_{\mathrm{fat},\mathrm{i}}$  (1)

$\mathrm{IR}=\underset{\mathrm{i}}{\overset{\mathrm{n}}{𝛴}}{\mathrm{f}}_{\mathrm{i}}·{\mathrm{Nb}}_{\mathrm{i}}·{\mathrm{P}}_{\mathrm{fi}}$  (2)

여기서, f_i는 시나리오 i의 발생확률, N_fat,i는 시나리오 i의 사망자 수, Nb_i는 시나리오 i의 위험에 노출되는 사람 수, P_fi는 사나리오 i에 의해서 사망할 확률(N_fat,i/Nb_i)이다.

Table 2. Risk index (expected value) and individual risk criteria

3. 화재위험도 평가결과

3.1 대피특성에 대한 분석

정량적 위험도 평가에 있어서 전체 위험도에 가장 크게 영향을 미치는 인자는 제연방향과 대피방향의 상관관계로 본 연구에서는 전술한 Table 1과 같이 설정하였다. 제연모드는 자연환기와 기계환기로 구분하고 기계환기 시 제연의 방향은 터널출구(열차진행방향)와 터널입구(진행반대방향)로 하였다. 제연팬 고장 시는 자연환기로 보았으며, 자연환기의 확률은 일반적인 제연팬의 신뢰도를 고려하여 10%로 하였다. 자연환기 시 대피방향은 화재에서 멀어지는 방향(op)으로 대피하는 분기비를 90%, 특정(입구 또는 출구)방향으로 이동하는 것을 10%로 하였다. 중앙부 열차화재 시, 기계환기를 수행하는 경우에 제연방향은 터널입구와 출구방향으로 동일한 분기비(45%)를 적용하였으며, 대피방향은 제연반대방향을 90%, 화재에서 멀어지는 방향(op)의 분기비를 10%로 적용하였다.

본 연구에서 고려한 각각의 피난연결통로 간격 및 대피시간조건에 따른 시나리오의 총수는 270개이다. 각 계산조건의 시나리오별 사망자수 분석결과, 사망자수에 가장 크게 영향을 미치는 인자는 제연방향과 대피방향의 상관관계로 대피방향과 제연방향이 동일한 경우에 사망자가 가장 많이 발생하는 것으로 나타나고 있다.

Table 3은 피난연결통로 간격이 1,500 m, 화재성장곡선으로 FC2, 피난개시시간이 873초(EST 3)인 경우에 200명 이상(승객 중: 25%)이 사망하는 시나리오를 정리한 것이다.

Table 3. Analysis of the many fatalities-occurrence scenarios

표에서 자연환기를 수행하는 경우, 열기류의 방향은 출구방향으로 형성되기 때문에 시나리오 상에서 출구방향으로 대피하는 경우에는 화재객차의 위치에 관계없이 모든 승객이 사망하는 것으로 나타나고 있으며, 양방향 대피(op)를 하는 경우에도 제연방향과 동일한 방향으로 대피하는 승객은 사망하는 것으로 분석된다.

Fig. 3은 전술한 피난연결통로 간격이 1,500 m, 화재성장곡선으로 FC 2인 경우에 피난개시시간이 210초(EST 0)와 873초(EST 3)인 경우에 대피특성을 파악하기 위해서 시간경과에 따른 연기의 전파거리(7) 및 대피현황(5,6: 대피자의 위치, 1:터널을 탈출하는 승객 수, 8:연기에 포획되는 사람 수))분포와 사망자수(2:FED > 0.3 이상, 3:등가사망자수) 등을 대피자의 최대 FED값(4)을 나타낸 것이다.

Fig. 3.

analysis of evacuation characteristics (cp interval = 1,500 m, natural ventaltion, evacuation dir: tunnel exit)

Fig. 3(a)는 피난개시시간이 210초인 경우로 가시거리에 영향을 주는 연기는 약 834초에 나타나기 시작한다. 대피자는 약 1,076초에 연기에 포획되기 시작하여 206초(1,282초)만에 전체 대피자가 연기에 포획되는 것으로 나타나고 있다. 최초의 대피자는 약 1,000 m, 최종 대피자는 약 340 m를 이동한 지점에서 연기에 포획된다. 등가 사망자는 1,656초(등가사망자)에 발생하기 시작하나, FED가 0.3 이상의 사망자가 발생하는 시간은 2,614초이며, 이후에 사망자수가 급격하게 증가하여 약 488초만에 모든 대피자가 사망하는 것으로 예측된다.

Fig. 3(b)는 피난개시시간을 873초로 하는 경우로 대피개시 전에 이미 모든 승객이 연기에 포획되는 상황으로 2,536초에 사망자(FED > 0.3)가 나타나기 시작하여 약 366초(2,902초)만에 전체 인원이 사망하는 것으로 나타나고 있다.

Table 4는 피난연결통로의 간격이 1,500 m이고 최대사망자가 발생하고 있는 제연방향과 대피방향이 동일한 경우에 이벤트 발생시간(연기가 덮치는 시간, 등가사망자가 발생하는 시간, FED > 0.3을 초과하는 시간)과 연기가 덮친 후에 최대사망자가 발생하는 시점까지의 시간지연, 각 조건에서 도달하는 시점에서 대피자의 이동거리를 나타낸 것이다.

Table 4. Comparison of event occurrence time, time delay, and moving distance

제연방법 및 대피방향이 동일한 경우, 연기가 대피자를 덮치는 시점, 등가사망자가 나타나기 시작하는 시점과 FED > 0.3 이상이 발생하는 시점은 피난개시시간에 관계없이 큰 차이가 없는 것으로 나타나고 있다. 특히 FED > 0.3 이상의 사망자가 발생한 후에는 최대 10분 이내에 최대인원이 사망에 도달하는 것으로 분석되어 화재 시 악조건에 도달한 후에는 아주 빠른 속도로 사망자가 증가하는 것을 알 수 있다.

또한 연기가 덮치기 전까지 이동하는 거리는 대피를 가장 신속하는 경우에도 최대 350 m정도이며, 등가 사망자가 발생하는 시점까지 이동거리는 최대 1,149 m, FED > 0.3의 사망자가 발생하는 시점까지 이동할 수 있는 거리는 최대 1,500 m정도로 판단된다.

이상의 검토에서 화재연기의 이동방향과 동일한 방향으로 대피하는 경우에 연기가 덮치는 시간을 기준으로 최대한 안전을 확보할 수 있는 시간은 1,000초 정도이며 가장 신속하게 대피를 하는 경우에 확보할 수 있는 안전거리는 340 m정도이다. 또한 FED > 0.3을 기준으로 하는 경우에 안전을 확보할 수 있는 시간은 2,508~3,448초 정도이며, 이때 이동거리는 589~1,503 m정도이다.

3.2 피난개시시간이 위험도에 미치는 영향 분석

Fig. 4는 모델터널에 대해서 피난연결통로 간격 및 화재성장곡선의 적용에 따른 F/N선도(N명 이상의 사망자수가 발생할 확률(F))와 사회적 위험도 평가기준과 비교하여 나타낸 것으로 사회적 위험도 평가기준 (1)과 (2)는 각각 현재의 국내 철도터널 정량적 위험도 평가 시 적용하는 평가기준과 최근에 유럽의 다수의 국가가 적용하고 있는 기준을 표시한 것이다. 또한 그림에서 EST 0~EST 3은 피난개시시간을 나타낸 것이다.

Fig. 4.

Quantitative risk assessment results according to the distance between cross passage and fire growth curve

피난연결통로간격이 1,000 m인 경우에는 피난개시 시간에 따른 최대 사망자수 및 전체적인 위험도의 차이가 있는 것으로 나타나고 있다. 그러나 피난연결통로 간격이 1,500 m 이상인 경우에는 피난개시 시간의 차이에 따른 위험도 차이가 거의 없는 것으로 나타나고 있다. 특히 화재성장곡선으로 FC 2, FC 3을 적용한 경우에는 이와 경향이 보다 확연하게 나타나고 있다.

이는 본 연구의 모델터널의 경우, 피난연결통로 간격이 1,500 m 이상인 경우에는 최대 위험도에 도달한 것으로 볼 수 있으며, 이와 같이 최대위험도에 도달한 조건에서는 피난연결통로 간격이나 피난개시시간 및 화재성장곡선의 영향이 거의 나타나지 않는 것으로 판단된다.

Table 5는 피난연결통로 간격과 대피시간에 따른 RI를 적용 화재성장곡선별로 나타낸 것이며, Fig. 5는 화재성장곡선이 FC 2인 경우에 피난연결통로 간격별 피난개시시간에 따른 RI값을 나타낸 것이다.

Table 5. Risk index

Fig. 5.

Risk index compare (FC 2)

Table 5에서 피난연결통로 간격이 1,000 m로 전체적인 위험도가 낮은 범위에 있는 경우에는 피난개시시간이 증가할수록 RI가 증가하는 경향을 보이고 있으나, 피난연결통로 간격이 1,500 m 이상으로 증가하여 F/N곡선이 사회적 위험도 평가기준에 근접하는 경우에는 RI의 차이는 거의 없는 것으로 나타나고 있다. Fig. 5는 화재성장곡선을 FC 2를 적용하는 경우로 전술한 경향이 아주 잘 나타나고 있다.

본 모델터널의 경우, RI의 평균값은 최소 2.16 × 10^-4 fat/yr에서 최대 1.48 × 10^-3 fat/yr범위에 있는 것으로 나타나고 있다.

3.3 화재강도에 따른 영향

Fig. 6은 화재강도 및 화재지속 여부에 따른 영향을 비교한 것으로 피난개시시간은 각각의 분기비를 동일하게 적용하여 평균한 것이다.

Fig. 6.

Comparison according to fire fire curve

피난연결통로 간격별 RI값은 Table 6에 나타냈다. RI값은 화재강도가 증가하면 증가하나, ( )에 나타낸 FC1에 대한 증가율은 피난연결통로의 간격이 증가할수록 감소하는 것을 알 수 있다. 특히, FC 2와 FC 3의 차이는 거의 없는 것으로 평가할 수 없다. 이와 같이 화재강도에 따른 차이가 발생하지 않는 것은 위험도가 한계 값에 도달하고 있음을 의미한다.

Table 6. Risk index and individual risk according to CP interval distance

피난연결통로 간격이 1,500 m 이상이고 화재성장곡선을 FC 2, 3인 경우에 사회적 위험도는 한계 값에 도달하고 있으며, 이 경우 RI는 1.4 × 10^-3fat/yr, IR은 승객 수를 800명으로 하는 경우, 1.8 × 10^-6정도 수준에 있은 것으로 나타나고 있다.

이상의 검토에서 본 모델터널의 경우, 피난연결통로의 간격이 1,500 m 이하인 경우에는 간격의 축소에 따른 위험도의 감소효과가 있으나, 피난연결통로의 간격이 1,500 m를 초과하는 경우에는 위험도가 한계 값에 도달한 것으로 평가될 수 있으며, 간격변화에 따른 위험도의 변화는 거의 없는 것으로 평가된다.

4. 결 론

본 연구에서는 모델터널(연장: 15 km, 경사도 1.5%, 단면적 57 m², 단굴 양방향 터널)을 대상으로 피난개시시간(210~873초) 및 화재성장곡선(1량화재, 1량 화재지속, 화재중첩)이 정량적 위험도 평가에 미치는 영향을 검토하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 시나리오(270개)에 대한 분석결과, 화재연기의 이동방향과 동일한 방향으로 이동하는 경우, 사망자가 발생하고 있으며, FED가 0.3을 초과한 후에는 최대 10분 이내에 최대인원이 사망하는 것으로 나타났다.

2. 화재연기가 대피자를 덮치는 시점은 피난개시시간과 관계없이 거의 일정하며, 약 1,000초 정도이며, 피난개시시간이 가장 신속한 경우에 연기가 덮치는 시간을 기준으로 안전확보거리는 약 350 m정도로 나타났다.

3. 사망자(FED > 0.3)가 발생하기 시작하는 시점 또한 피난개시시간에 관계없이 큰 차이가 없으며, 이를 기준으로 하는 경우 안전확보거리는 589~1,503 m정도로 분석되었다.

4. 피난연결통로의 간격이 1,000 m로 위험도가 비교적 낮은 영역에 있는 경우에는 피난개시시간이 짧을수록 위험도가 낮게 평가되나, 화재성장곡선이 위험도에 영향을 미치는 것으로 나타나고 있다.

5. 그러나 피난연결통로 간격이 1,500 m 이상으로 위험도가 한계치에 도달한 경우에는 피난개시시간 및 화재성장곡선이 위험도에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 평가된다.

6. 피난연결통로의 간격이 증가하여 위험도가 한계치에 도달하는 경우에는 피난연결통로의 간격변화가 위험도에 미치는 영향을 거의 없는 것으로 판단된다.