1.서론

경제성장으로 인해 인구와 물자의 수송량이 증가함에따라 사회 인프라 구축사업의 중요성이 증대하여 기존 도로의 개량 및 도로의 신설이 활발히 진행되고 있다. 또한 운전자의 편의성 뿐 만 아니라 환경보호 차원에서도 노선의 직선화가 요구되기 때문에 터널의 건설은 필연적이나 터널에서는 통행하는 자동차의 배출가스에 의한 터널내 공기오염을 방지하기 위해서 환기가 필요하다.

일반적으로 지하터널내의 기류유동은 차량의 거동과 함께 복잡한 형상을 나타내며 터널 내외부 구조물들의 영향으로 1차원적인 해석만으로는 정확한 예측을 수행하기 곤란한 현상이 발생한다.

또한, 일방향 도로터널일 경우, 반대편 터널의 차량들이 계속 진입해 들어감으로 터널주변의 공기가 터널내로 유입될 수 있고, 따라서 터널 출구를 통하여 배출된 오염물질을 함유한 혼합기체가 다시 반대편 터널의 입구를 통해 재유입되는 경우가 있으며, 연속터널의 경우에는 첫 번째 터널에서 유출된 오염물질이 두 번째 터널의 입구로 유입되는 경우도 발생된다. 이것은 터널 갱구의 형상 및 자연조건에 의하여 다양하게 형성될 수 있다. 따라서 터널 갱구부의 오염물질에 대한 재유입 여부를 확인할 필요성이 생긴다.

본 과업에서는 1차원 터널내 오염농도 해석 프로그램과 3차원 상용 소프트웨어를 사용하여 터널내 오염농도의 거동 및 터널 갱구부 주변의 오염물질 재유입 여부를 예측하여, 주문진-속초간 현남 1,2터널에 대한 터널 내외부 유동을 검증하는 것을 목적으로 한다.

본 연구에서는 1차원과 3차원을 병용한 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)을 이용한 수치 해석적 방법을 통하여 터널내 열유동 환경을 검토하였다. 현남 1,2터널의 수치해석에서는 해당지역인 속초지방의 기상데이터를 분석하고, 터널내부의 공기환경을 검토하고 이를 3차원 시뮬레이션에 반영하여 재유입여부 및 재유입율을 판단하고자 하였다.

2.터널제원 및 기상데이터분석

2.1 터널제원

본 구간에는 터널사이가 100m가 안되는 두 개의 연속터널이 위치해 있으며, 각각의 터널에 대한 상세한 제원은 표 1과 같으며, 두 터널의 개요도는 그림 1에 나타내었다.

2.2 교통량분석

적용 교통량은 주문진 IC～남양양 IC구간의 차종별 교통량을 분석하여 적용하였으며, 표 2에는 연도별 일교통량이 나타나 있다. 본 연구에서는 최악조건인 2028년도 (설계목표년도)에 대한 검토를 우선적으로 실시하였다. 

2.3 기상데이터 분석

터널간의 재유입현상에 영향을 주는 인자는 터널에서 발생되는 차량의 흐름에 의한 교통환기력과, 외부에 형성되는 자연풍으로 대별될 수 있다. 이중 외부자연풍은 지역적 특성에 따라 풍향 및 풍속이 변화되고, 주변지역의 지형적 영향을 받으므로 터널이 위치한 지역의 풍향, 풍속에 대한 기상조건의 분석이 선행되어야 할 것으로 사료되며, 이는 해석의 신뢰성을 높이는 주요한 인자이다.

본 연구를 위하여 속초지역에 대한 1992년부터 2001년까지 기상청에서 측정한 시각별 기상데이터에 대하여 풍향 및 풍속을 분석하였다.

풍향빈도는 시각별로 측정된 전시간대의 기상데이터에 대하여 분석하여 최대빈도가 발생되는 방향을 도출하였다. 풍속의 경우는 전시간대에 대한 최대풍속값을 사용할 경우, 이상기류나 태풍등의 영향으로 인한 과도한 풍속이 선정되어 실제 발생빈도가 매우 낮은 풍속이 최대풍속으로 산출될 가능성이 있다. 따라서, TAC 5%를 적용하여 풍속조건을 분석하고 이를 시뮬레이션에 반영하기 위한 기초자료로 선정하였다.

2.3.1 풍향 분석

기상청에서 측정한 풍향은 36방향으로 세분화되어 있으므로, 이를 방위별로 분석하여 빈도의 차이를 파악할 수 있도록 도식화하였으며 월별최다빈도를 순위별로 구성하여 연중의 풍향분포를 알 수 있도록 하였다.

그림 2는 속초지역의 1월 풍향빈도와 최다빈도분석결과를 나타낸 것으로 1월중 최다빈도풍향은 WNW 임을 볼 수 있다. 이와 같은 방법으로 속초지역의 1월부터 12월까지 월간풍향빈도를 분석하여 표 3에 정리하였다.

그림 3은 속초지방의 연간풍향빈도분석을 나타낸 것으로, 이는 지난 10년간 모든 일수에 대하여 분석한 결과이다. 서북서풍이 16%, 북서풍이 13%의 분포를 나타내어 북서풍방향이 30%에 이르는 것으로 나타났다. 이것은 속초지역의 위도가 우리나라의 평균위도에 비하여 북쪽에 위치하여 시베리아기단의 영향을 받는 시기가 많기 때문이다. 또한, 여름철에 많이 발생되는 남남동풍이 8%, 남동풍이 6%로 남동계절풍의 빈도가 14%내외로 나타났다. 중간기에는 풍향의 빈도가 하절기 및 동절기에 비하여 불규칙하고, 바람의 방향도 비교적 자주 바뀌는 것으로 측정되고 있다.

우리나라의 풍향은 계절풍의 영향을 받는 것으로 나타나며, 속초지방의 경우 이러한 경향이 더욱 뚜렷하게 나타남을 알 수 있다. 우리나라의 일반적인 기후도는 겨울철에는 시베리아기단의 영향으로 북서풍이 높은 빈도를 나타내며, 여름철에는 북태평양기단의 영향으로 남동풍이 나타난다. 1991년～2000년간의 기상자료분석에서도 이러한 경향은 크게 다르지 않은 것으로 보여진다.

동절기인 11월～3월까지는 서북서풍이 가장 많이 나타나며, 그 다음이 북서풍, 서풍의 순으로 풍향빈도가 일정하게 나타나는데 이는 계절풍의 영향으로 보여진다. 봄철인 4, 5월에는 서북서풍이 혼합되어 있으나 점차 남남동풍의 영향이 커지고 여름철인 6, 7, 8월에는 남남동방향의 풍향이 지배적인 것을 알 수 있다.

따라서 본 연구에서는 검토대상풍향을 겨울철을 감안한 북서풍 (서북서+북서) 및 여름철을 감안한 남동풍 (남남동+남동)으로 하여 검토하였다.

2.3.2 풍속 분석

풍속측정의 기본단위는 0.1m/s이며, 속초지역을 풍속을 10년간 월별로 그리고 풍향별로 분석하였다. 풍속분포는 풍향별로 구분하여 분석하여야 한다. 풍속은 최대풍속과 평균풍속을 모두 분석하여 해석의 신뢰성을 높일 수 있는 값을 적용하였다.

먼저 속초지역의 년도별, 월별 최대풍속을 분석하였다. 그림 4는 속초지역의 지난 10년간 최대풍속을 나타낸 것으로 7.2～8.0m/s의 최대풍속을 보이고 있으며, 풍향은 다양한 방향을 나타내고 있음을 볼 수 있다.

표 4는 월별 최대풍속과 풍향을 정리한 것으로서 최대풍속이 발생되는 경우는 5월의 동풍 8.0m/s로 나타났다. 주요검토대상 방향에 대해서는 서북서풍의 경우 6월에 6.3m/s, 북서풍의 경우 6월에 6.0m/s이며, 여름철 남남동풍의 경우 3월에 6.7m/s, 남동풍의 경우 3월에 7.0m/s로 나타났다. 즉, 최대풍속값은 풍향빈도와 다소 상이한 결과를 나타내며 이는 최대풍속값이 일시적인 현상임을 알 수 있다. 표 5에는 속초지역의 주요방위에 대한 월별최대풍속결과가 나타나 있다.

최대풍속은 상위 5%의 값을 제외하고 산출하였으나 상당히 높은 경향을 보이며 최대풍속이 발생되는 시간은 태풍 등의 경우를 제외하면 연속적으로 최대값이 형성되지 않는 것으로 나타났다. 

그림 5에는 속초지역의 10년간 평균풍속과 풍향이 나타나 있다. 평균풍속은 동절기와 하절기로 구분하여 나타내었는데, 북서풍의 경우 동절기의 평균풍속이, 남동풍의 경우 하절기의 평균풍속이 약간 크게 나타남을 알 수 있다. 본 연구에서는 평균풍속을 분석하여 최대풍속과 비교하고 그 결과를 환기해석 및 오염물질의 재유입시 반영하였다.

2.3.3 풍향 및 풍속의 적용

본 연구에서는 풍향은 가장 많은 빈도를 보이는 서북서풍과 남남동풍을 선정하며, 이를 8방위로 환산하여 북서풍과 남동풍으로 간략화 하여 적용하였다.

이에 대한 풍속을 최대풍속과 평균풍속으로 분석하여 표 6과 7에 정리하였으며, 이를 동절기와 하절기로 구분하여 동절기는 1월의 평균풍속값을, 하절기는 8월의 평균풍속값을 적용하였다. 이 값은 동일한 방위의 월별 평균 풍속중 최대치로 계절풍이 발생하는 월의 임계치로 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

3. 터널 내부공기환경 및 오염농도산출

3.1 터널내부환경 검토과정

일반적으로 도로터널에서는 자동차의 배출가스에 의한 터널 내 공기의 오염을 막기 위하여 터널내 환기가 필요하다. 국내에서 적용되고 있는 도로터널에 대한 환기는 한국도로공사에서 간행한 고속도로터널 환기설계기준에 의하여 설계되고 있으며, 이 기준에 의하면 연장 1,000m이하의 터널에 대해서는 자연환기에 의하여 터널내 공기환경을 유지하도록 하고 있다.

그러나, 이러한 계산방법은 터널내의 환기설비용량의 산정을 위한 절차이기 때문에, 실제유동과는 다소 차이가 있는 가정이 있으며 시뮬레이션을 통한 검토시에 이러한 가정을 적용하게 되면 실제 공기흐름과의 차이가 발생된다. 따라서, 본 연구에서는 실제유동에 가까운 결과를 얻기 위하여 저항자연풍에 대한 조건을 변경하여 수행하였다.

자연풍에 의한 환기저항은 자연풍의 풍속․풍향 및 온도, 대기압차등 외부기상조건에 의해 발생하는 양갱구의 압력차에 의한 것으로 터널외부의 기상조건이 항상 변동하므로 자연풍에 의한 환기저항의 크기 및 작용방향은 수시로 변하게 되나, 일반적으로 안전측면에서 작용방향은 터널내 주기류의 반대방향, 즉 환기에 저항으로 작용하는 것으로 하며, 자연풍에 의한 저항력의 크기는 식 (1)의 Un의 값을 일반지형 조건하에서 자연풍은 양방향교통일 경우는 1.5m/s, 일방향 교통일 경우는 2.5 m/s 적용을 표준으로 하며, 기타 특수지형조건에서는 터널별 설계조건을 고려하여 설계한다.

 (1)

ΔPMTW: 자연풍에 의한 환기저항 [mmAq]

 ξi   : 터널 입구 손실계수

 λr   : 터널 벽면 마찰 손실계수

 Lr    : 터널 길이 [m]

 Dr    : 터널 대표 길이 [m]

 Un   : 자연풍에 의한 터널내 평균 풍속 [m/s]

 ρ    : 공기 밀도 [kgfㆍs2/m4]

위에서 나타난 바와 같이, 일방향 교통일 경우 일률적으로 2.5m/s의 저항자연풍을 적용하는 것이 일반적이다. 이는 1개 방향의 터널을 단독으로 계산하여 해당터널에 대한 최악조건을 구하는 경우이다. 그러나, 실제유동(3차원 시뮬레이션)의 경우에는 주문진방향과 속초방향으로의 차량통행이 동시에 발생되며, 주문진방향터널에 대하여 2.5m/s의 저항자연풍을 설정하게 되면 속초방향터널에서는 차량진행방향으로 자연풍이 발생하게 될 것이다.

이러한 유동을 무시하고 저항자연풍을 발생시킬 경우, 외부자연풍의 방향과 터널내에 적용되는 저항자연풍의 방향이 일치하지 않으므로 실제유동과는 다른 결과가 도출될 수 있다.

따라서, 본 연구에서는 분석된 자연풍조건을 터널내 시뮬레이션에도 적용하여 터널내부 오염농도 및 유속조건을 산출하였다.

3.2 검토방법 및 기준

3.2.1 적용프로그램

본 연구대상인 현남 1, 2터널의 터널내부 환기설비에 대한 오염농도 분포를 해석하기 위해서 1차원 해석 프로그램인 n.TAQS를 사용하였다. n.TAQS는 1-D 운동방정식과 이류 확산식을 유한 차분법, Hardy-Cross iteration으로 해석하여 준 정상상태에서의 유속, 매연, 일산화탄소 (CO), 질소산화물 (NOx) 농도를 예측하는 프로그램으로, 다양한 저항계수 및 Constant Quantity의 다양한 적용을 통해 터널 형태 및 환기시스템 종류에 관계없이 적용 가능한 장점을 가지고 있다.

3.2.2 해석조건 및 검토내용

표 8 참조

3.2.3 터널내 공기환경 기준

매연은 운전자의 건강에 영향을 미치는 일산화탄소나 질소산화물과는 달리 안전운행을 위한 가시거리에 영향을 미치는 오염물질로 디젤차에서 배출되는 입자상 물질 및 부유분진을 총칭하는 개념이다. 터널내 매연의 농도는 소광계수 (K)나 매연투과율 (τ) 관점에서 허용농도를 정하고 있기 때문에 매연농도와 가시도의 상관관계를 밝히는 것이 중요하며, 일반적으로 다음식으로 표현되는 MIRA의 관계식을 적용하고 있다.

이는 터널내외부의 오염물질 농도를 환산하는 식으로도 사용된다. 즉, 터널내부의 경우, 매연의 농도를 소광계수값으로 계산하나 터널외부의 경우는 매연의 농도값으로 계산하기 때문에 이를 환산하기 위한 식으로 사용된다.

 여기서, 는 매연의 농도 ()중량단위 (g/kW∙h)로 규제되는 매연의 농도는 다음식으로 PIARC방식의 기준배출량 ()으로 환산할 수 있다.

  여기서,

 : 신차의 배출량 규제치 (g/kW∙h),

 P : 차량의 출력 (kW), : 감소계수 (75%)

감소계수 (reduction factor)는 자동차에서 배출되는 총입자상 물질중에서 가시도에는 탄소입자가 결정적인 영향을 미치며, 그 외의 물질은 가시도에 큰 영향을 미치지 않기 때문에 이에 대한 감소효과를 고려하기 위한 계수이다.

3.3 해석결과 및 분석

3.3.1 북서풍 조건

자연풍이 북서풍으로 불 경우 (그림 6), 주문진방향 터널은 차량진행방향으로 자연풍이 유입되며, 속초방향터널의 경우는 터널 출구부로부터 3.08m/s의 역풍조건으로 작용하게 된다.

일방향 종류식터널의 오염물질 농도는 출구배출농도로 판단할 수 있다. 이는, 터널내에서 발생된 오염물질이 차량의 흐름을 따라 터널출구방향으로 진행되어 출구지점에서 가장 높은 농도를 나타내기 때문이다.

그림 7은 북서풍작용시 터널내 오염물질 CO농도에 대한 해석결과이며, 표 10은 북서풍작용시 현남 1터널과 현남 2터널에서의 내부공기 환경해석결과를 정리하여 나타낸 것이다.

주문진방향 터널의 경우 차량의 진행방향과 외부자연풍의 유입방향이 동일하여 터널내 공기유동에 도움을 주게 된다. 따라서, 터널출구의 오염물질 배출농도는 감소되는 것으로 나타난다. 속초방향 터널의 경우는 외부자연풍이 저항자연풍으로 작용한다. 즉, 차량의 진행방향에 반대되는 외부자연풍의 영향으로 터널내의 오염물질 농도는 주문진방향과는 반대로 증가하였다. 

3.3.2 남동풍 조건

자연풍이 남동풍으로 불 경우 (그림 8), 속초방향 터널은 차량진행방향으로 자연풍이 유입되며, 주문진방향터널의 경우는 터널출구부로부터 3.63m/s의 역풍조건으로 작용하게 된다.

그림 9는 남동풍작용시 터널내 오염물질 NOx 농도에 대한 해석결과이며, 표 11은 남동풍작용시 현남 1터널과 2터널에서의 내부공기 환경해석결과를 정리하여 나타낸 것이다.

남동풍의 평균유속은 3.63m/s로 북서풍의 평균유속인 3.08m/s에 비하여 높은 분포를 나타낸다. 이는, 자연풍이 차량흐름과 동일한 방향으로 작용할 경우에는 북서풍에 비하여 낮은 오염농도를 기대할 수 있지만, 반대로 작용할 경우에는 저항자연풍의 증가로 터널내 공기환경이 악화될 수 있음을 의미한다. 해석결과로부터, 터널출구의 오염농도는 기준치를 만족시키는 분포를 보이고 있음을 알 수 있다.

3.3.3 무풍 조건

자연풍이 불지 않을 경우 (그림 10), 즉 저항자연풍이 없는 경우의 검토를 수행하였다.

그림 11은 무풍시 터널내 오염물질 Smoke 농도에 대한 해석결과이며, 표 12은 무풍시  현남 1터널과 현남 2터널에서의 터널내부 공기환경 해석결과를 정리하여 나타낸 것이다.

외부저항 자연풍이 없는 상태에서는 터널내의 기류는 차량의 운행에 의한 교통환기력만이 작용하게 된다. 이때의 오염농도는 각 방향별로 자연풍이 차량진행방향과 동일한 경우와 반대로 작용하는 경우에 대한 중간값으로 나타난다. 가장 큰 소요환기량을 보이는 지체시 10km/h에서는 현남 1터널 주문진방향에서 61.75ppm 값을 나타내며, 다른 경우에 있어서도 그 이하의 값을 나타내어 터널내 공기환경 기준을 만족시킬 수 있을 것으로 예상된다.

4.오염물질 재유입 해석

4.1 갱구부 재유입 특성

도로터널에서 갱구간의 재유입이 발생되는 경우는 크게 2가지로 구분할 수 있다. 첫째, 터널의 입구부분과 출구부분이 동일구역에 위치하게 되는 경우, 즉, 터널에서 나오는 차량과 인접터널로 진입하는 차량이 교차하게 되는 구간이 발생하게 되며, 이때 터널을 진출하는 차량이 몰고 나오는 터널내의 오염물질은 인접터널로 진입하는 차량과 함께 복잡한 유동현상을 발생시키며 유입하는 현상이 발생할 수 있다. 둘째, 터널이 연속적으로 위치하는 경우, 즉, 첫 번째 터널의 출구에서 배출된 오염물질이 두 번째 터널의 입구로 유입되는 현상이 발생되는 경우이다.

이러한 두가지 경우 모두 오염물질의 재유입으로 인하여 재유입된 터널내부의 오염농도가 상승하고 이는 터널내부의 환기시스템에 영향을 미친다. 특히 1,000m미만의 자연환기방식 터널의 경우는 재유입에 의하여 오염농도가 상승하여 추가적인 환기시스템이 요구되는 경우가 발생될 수 있기 때문에 더욱 면밀한 검토가 필요하다고 볼 수 있다.

이러한 현상에 영향을 미치는 인자에는, 터널갱문의 형상 및 갱문간의 거리와 차량의 출입속도와 주변지형에 따라서 발생하는 국지적인 풍향/풍속이 오염물질의 재유입에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서, 설계과정에서 고려할 수 있는 인자는 터널 갱문형상 및 갱문간의 거리가 있을 수 있으며, 인접터널로의 오염물질 재유입량에 따라서 인접터널에서의 환기시스템의 용량에 변동이 발생할 수 있다.

4.2 검토방법 및 내용

4.2.1 검토방법

연속터널인 현남 1터널 및 현남 2터널의 재유입 발생을 검토하기 위하여 전산유체역학 (CFD)기법에 의한 3차원 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 위하여 인근 지형에 의한 기류의 영향을 고려하여 현남 1터널 및 현남 2터널 갱문주변의 지형 및 갱문형상을 구현하였으며, 지형데이터 및 갱문형상은 설계제원을 적용하였다.

기상데이터는 기상청에서 측정한 속초지방의 10년간 풍향/풍속을 분석하여 적용하였다. 갱문입출구의 유속 및 오염농도데이터는 1차원 시뮬레이션에서 산출된 값을 적용하였으며, 터널사이를 주행하는 차량에서 발생되는 오염물질의 농도는 무시하였는데, 이는 터널출구에서 발생된 오염물질이 연속터널 및 반대편 터널로의 재유입되는 양을 정확하게 고려하기 위함이다.

4.2.2 검토내용

(1) 재유입여부 및 재유입량 예측

독립적인 터널에 대한 터널내부 환경뿐만 아니라 연속터널 및 상대터널로의 재유입을 고려한 터널내 공기환경 예측하고 외부자연풍으로 인한 갱구사이의 기류유동에 대한 영향 분석하였다. 표 13은 연속터널 갱구부에서의 오염물질의 재유입에 대한 검토내용으로 풍향조건과 차량소통조건에 따라 표 13에서는 6가지 Case를 선정하여 분석하였다.

(2) 재유입 발생시 터널내 공기환경 예측

재유입발생후, 유입오염물질이 터널내 공기환경에 미치는 영향을 분석하고, 재유입후의 터널내 공기환경에 대한 기준치 만족여부와 기계환기 필요성 판단하였다. 표 14는 연속터널 에서의 재유입후 터널내 공기환경에 대한 검토내용으로 위의 경우 (풍향조건과 차량소통조건에 따른 표 13, 표 14에서는 6가지 Case)의 각각에 대하여 분석하였다.

4.2.3 해석프로그램 및 조건

해석프로그램인 FLUENT는 복잡한 형상의 지형에서 유동과 열전달을 모델링하는 유한체적법 (FVM)을 사용하는 3차원 전산유체역학 (CFD)유동해석코드이다. 이 프로그램은 저압축성 및 고압축성 유체 흐름을 분석하는데 이용되는 3차원 열유동 수치해석프로그램으로서 1차원 유동해석으로는 알 수 없는 3차원적인 유속, 온도, 압력, 농도분포 등을 구할 수 있다. 또한 본 코드는 정렬형 및 비정렬형의 삼각형 및 사각형의 복합화된 격자를 사용함으로써 2차원 및 3차원 형상을 사실적으로 모사할 수 있는 특성을 가지고 있다.

표 15에는 해석가정조건, 격자구성 및 경계조건이 정리되어 있으며, 그림 12에는 대상구간에서의 연속터널에 대한 재유입 해석개요도이다.

4.4 해석결과 및 분석

4.4.1 북서풍 조건

그림 13은 북서풍작용시 오염물질 (CO) 재유입 해석결과를 보여주고 있다. 북서풍방향으로 외부자연풍이 형성되는 경우, 기류가 현남 1터널 방향으로 형성되나, 지형의 영향으로 인하여 직진성이 떨어지는 경향을 보이고 있다. 따라서, 현남 2터널 주문진방향에서 유출된 오염물질이 현남 1터널 주문진방향으로 유입되는 양이 거의 발생되지 않는 것으로 나타났다. Case-2의 경우 Case-1과 자연풍 조건은 같고, 차량의 소통상태가 다를 경우에 대한 해석으로서 10km/h시에 비하여 교통환기력이 크기 때문에 기류의 직진성이 강하게 나타나고 이로 인하여 높은 재유입율을 보이고 있으며, 80km/h는 오염물질 농도가 낮아 터널내 공기환경에는 큰 영향이 없을 것으로 예상된다.

4.4.2 남동풍 조건

그림 14는 남동풍작용시 오염물질 (NOx) 재유입 해석결과이다. 남동풍 작용시는 지형의 영향을 비교적 덜 받는 것으로 보여지며, 북서풍에 비하여 외부자연풍이 강하여 현남2터널 주문진 방향 출구의 오염물질이 현남 1터널 주문진방향 입구로 진행되지 못하고 출구부에 정체되는 양상을 나타내었다. 반대쪽인 속초방향의 경우는 현남 2터널로 대부분의 오염물질이 유입되는 결과를 보이고 있다.

 Case-4의 경우 차량속도 10km/h시에는 북서풍과 마찬가지로 교통환기력에 의하여 기류의 직진성이 강하게 나타나고 있으며, 상대터널로의 확산보다는 연속터널로의 재유입이 크게 일어나는 경향을 보이고 있다. 80km/h는 오염물질 농도가 낮아 터널내 공기환경에는 큰 영향이 없을 것으로 예상된다.

4.4.3 무풍시

그림 15는 무풍시 오염물질 (Smoke) 재유입 해석결과이다. 무풍상태이고 주문진방향 10km/h, 속초방향 80km/h일 경우의 검토결과로서, 속초방향 터널은 원할 교통시이므로 주문진 방향 터널에 비하여 일산화탄소 배출량이 상대적으로 적고, 높은 유인력으로 주문진방향의 오염물질이 일부 유입되며, 갱구주위로 기류가 정체되는 현상이 발생됨을 알 수 있다.  Case-6의 경우 대체적으로 기류정체현상이 발생되는 분포를 나타내며, 80[km/h] 시에는 오염물질이 10[km/h]시에 비하여 적게 분포하여 반대편 터널에 비하여 상대적으로 낮은 농도분포를 나타낸다.   

4.5 재유입발생시 터널내 오염농도

4.5.1 북서풍 조건

그림 16은 북서풍 작용시 오염물질 재유입 및 출구농도 분석결과중 CO에 대한 결과를 비교한 것이다. 현남 2터널 (주문진방향)로부터 현남 1터널 (주문진방향)로 재유입시, 현남 2터널의 배출오염물질에 의하여 현남 1터널 (주문진방향) 농도가 변화된다.  외부풍향이 작용하므로 상대터널로의 재유입이 거의 발생되지 않아, 연속터널에 대한 터널내부 재유입에 의한 영향을 검토하였다.

재유입후 터널내 농도변화를 분석한 결과, 북서풍 작용시 정체시의 일산화탄소 농도는 거의 증가되지 않으며, 이는 지형상의 영향으로 인하여 재유입발생이 적기 때문을 판단된다. 80km/h시는 차량의 교통환기력이 강하여 기류의 직진성이 강하게 형성되어 상당한 농도증가비율을 나타내나 출구농도가 기준치에 비하여 낮아 큰 문제가 없을 것으로 판단된다.

4.5.2 남동풍 조건

그림 17은 남동풍작용시 오염물질 재유입 및 출구농도중 CO의 경우를 비교한 것이다. 현남 1터널 (속초방향)에서 현남 2터널 (속초방향)로의 재유입시, 현남 1터널의 배출오염물질에 의하여 현남 2터널 (속초방향)의 농도가 변화된다.  외부풍향이 작용하므로 상대터널로의 재유입이 거의 발생되지 않아, 연속터널에 대한 터널내부 재유입에 의한 영향을 검토하였다.

남동풍 작용시 현남 1터널 (속초방향)에서 현남 2터널(속초방향)으로 오염물질의 유입이 발생되며, 이로 인한 출구농도의 증가폭은 지체시 일산화탄소를 기준으로 80 % 내외의 값을 보이고 있다. 증가폭이 커진 것은 현남 1터널이 현남 2터널에 비하여 연장이 길어 오염물질의 배출이 많아 2터널 입구로의 유입량이 많으며, 지형상의 이유로 재유입율이 높기 때문이다.

4.5.3 무풍 조건

그림 18은 무풍의 경우 오염물질 재유입 및 출구농도중 현남2터널에서의 CO 농도를 비교한 것이다. 주문진방향 10km/h/속초방향 80km/h 차량소통시 재유입시, 현남 2터널의 배출오염물질에 의하여 현남 1터널 주문진방향의 농도가 변화되며, 갱구주변의 기류정체로 인하여 상대터널로부터의 재유입도 발생된다.

무풍적용시 터널갱구주변 기류의 정체로 인하여 재유입율이 높게 나타났으며, 모든 오염물질이 비교적 높은 재유입율을 나타내며, 재유입을 감안한 터널출구 오염농도는 일산화탄소가 최대 20ppm이상의 오염물질 농도증가를 보였다. 이러한 오염물질농도의 증가에도 불구하고 터널내 공기환경은 허용기준치 이하의 값을 나타내었다.

그림 19는 무풍작용시 오염물질 재유입 및 출구농도중 현남 1터널에서의 매연의 농도를 비교한 것이다. 현남 1터널 (속초방향) → 현남 2터널 (속초방향) 재유입시, 현남 1터널의 배출오염물질에 의하여 현남 2터널 속초방향의 농도가 변화되며, 현남 2터널의 배출오염물질에 의하여 현남 1터널 주문진방향의 농도가 변화되며, 갱구주변의 기류정체로 인하여 상대터널로부터의 재유입도 발생된다.

무풍적용시 터널갱구주변 기류의 정체로 인하여 재유입율이 높게 나타나며, 차량소통의 변화에 따라 이전의 경우와 반대방향으로 높은 재유입율을 나타내었다. 모든 오염물질이 비교적 높은 재유입율을 나타내며, 재유입을 감안한 터널출구 오염농도는 일산화탄소가 최대 22ppm이상의 오염물질 농도증가를 보였다. 이러한 오염물질농도의 증가에도 불구하고 터널내 공기환경은 허용기준치 이하의 값을 나타내었다.

5.결론

본 연구에서는 고속도로 터널설계시 터널을 대상으로 하여 풍향 및 풍속에 따른 터널내부공기환경 및 오염물질의 재유입정도를 분석하여 연속터널에서의 환기영향을 검토하였다. 이를 통하여 얻어진 결론을 정리하면 다음과 같다.

1. 속초지역의 풍향 및 풍속분석결과, 주요풍속은 북서풍과 남동풍으로 나타났으며, 이는 계절풍의 영향을 강하게 받는 기후특성에 기인한다. 또한, 최대풍속과 평균풍속에 대한 분석을 수행하여 대표월로서 동절기(1월)와 하절기 (8월)를 설정하고 이에 대한 평균풍속값을 적용하였다.

2. 터널내 공기환경 검토결과, 지체시 최고농도를 나타내는 상황은 남동풍이 3.63m/s로 발생시 현남 1터널 주문진방향에서 발생된다. 남동풍조건은 현남 1터널 주문진 방향터널에 대하여 저항자연풍으로 작용하게 되므로 유입된 외부자연풍이 터널내의 교통환기력을 상쇄시켜 오염농도의 상승을 가져오기 때문으로 판단된다.

3. 북서풍 및 남동풍, 무풍조건에 대한 터널내 공기환경 검토결과 모든 속도에서 검토대상 오염물질인 일산화탄소, 질소산화물, 매연이 모두 기준치를 만족하는 결과를 나타냈다.

4. 재유입 검토결과 터널간의 거리가 50m정도인 반대방향터널로의 재유입은 거의 발생되지 않았지만, 무풍시에는 갱구주변 기류의 정체로 인한 다소의 유입이 발생되는 것으로 나타났으며, 지형의 영향으로 주문진방향 터널이 자연풍의 영향을 보다 많이 받는 것으로 나타났다.

5. 재유입율을 고려한 결과, 연속터널로의 재유입율은 자연풍과 차량속도에 따라 변화되는 것으로 나타났으며, 이를 고려하더라도 터널내 오염농도는 허용기준치이하의 값을 나타냄으로서 기계환기설비의 설치 없이 자연환기방식으로 환기가 가능할 것으로 판단된다.