1. 서 론

도로터널에서 발생하는 화재의 위험성은 1971년 니혼자카터널, 1999년 몽블랑터널, 2001년 고타드터널 및 2005년 프레쥬터널의 화재를 통해 국내에도 널리 알려졌다. 이와 같은 사고 경험을 통해서 터널화재 사고의 위험성을 감소하고자 하는 많은 연구와 개발이 있었다. 이중에 2006년에 종료된 UPTUN 프로젝트가 가장 대표적이다. 특히 이 프로젝트에서는 자동식소화설비의 효과에 대해 긍정적인 결론을 제시하였다. 그로인해 NFPA 502에서는 도로터널에 자동식소화설비를 적용하는 것을 반대하였던 기존 견해를 바꾸는 계기가 되었다(NFPA502, 2008).

도로터널에 사용되고 있는 자동식소화설비는 개방형 스프링클러, 물분무소화설비 및 미분무설비가 대표적이다. 개방형 스프링클러는 미국과 호주의 일부 터널에 포소화약제와 함께 사용할 수 있도록 설치되었고, 물분무소화설비는 일본과 한국 및 호주의 터널에 많이 적용되었다. 그리고 미분무설비는 UPTUN 프로젝트 이후에 A86 파리 구간, M30 스페인 마드리드 구간에 이미 설치되어 운영되고 있다.

자동식소화설비를 도로터널에 설치하는 목적은 4가지로 구분할 수 있다. 첫째로 성장하는 화재의 연소를 일정한 크기로 제한하는 것이다. 둘째로 연소생성물인 연기와 열의 이동을 제한하여 터널 안에 있는 사람들의 피난을 돕는 것이고, 세째로 터널 구조물과 내부의 시설물을 보호하는 것이다. 마지막으로 소방대가 터널 안의 화재 지점에 안전하게 접근할 수 있는 환경을 만드는 것이다. 이 4가지 목적을 달성하는 데 적합한 소화설비를 찾기 위한 연구들이 있었다. 일본에서는 1965년에 스미주키 터널에서 물분무노즐의 성능평가를 위한 화재 시험이 있었고, 이 시험에서 사용된 6 l/m²․min의 방수밀도가 일본과 한국의 표준으로 정해졌다(RWS, 2001). 또한 카지마건설은 수막(water curtain)을 이용하여 온도와 일산화탄소 및 가시도 향상의 결과를 확인하였다(Amano, 2005). 미국은 1990년대 메모리얼터널에서 AFFF(수성막포)을 첨가한 스프링클러에 대한 시험을 수행하였다. 이 시험에서는 100 MW의 유류화재를 소화시켰다(Bendelius, 1996). 반면 유럽의 경우는 1990년대 가스소화약제의 지구오염과 온난화에 대한 문제를 해결하기 위한 대안 설비인 미분무소화설비가 상용화되었고, 이 소화설비를 활용하는 시험이 실시되었다. 2001년 지멘스는 스위스 Hagerbach터널 시험에서 미분무소화설비를 이용하여 화원 주위 온도를 50°C 이하로 낮추는데 성공하였다(Maegerle, 2001). Fogtec은 A86 모형터널에서 미분무소화설비 시험을 실시하였다. 그 결과로 온도강하, 열방출율 저하의 효과를 확인하였다(Lakkonen & Kratzmeir, 2008). 국내에서도 한국건설기술연구원의 모형터널에서 물분무소화설비와 미분무설비의 화재 시험이 있었다. 그 결과 온도의 급격한 감소를 확인하였다(박경환과 소수현, 2010). 또한 이동호는 FDS 시뮬레이션을 이용해서 스프링클러의 성능에 대한 수치해석을 실시하였다(이동호 등, 2008).

이처럼 많은 시험을 통해서 도로터널 화재의 위험도를 낮추기 위한 자동식소화설비의 효용성을 나타내 주는 온도 감소, 열방출율 감소와 같은 개별 지표들이 많이 제시되었다.

하지만 자동식소화설비를 설치하는 목적 중 하나인 터널 이용자의 대피 환경을 개선하는 것에 대해서는 아직도 이견이 존재한다. 그 이유는 실제 사람의 피난 안전성에 대한 평가는 평가 방법이 없어서 진행하지 못했기 때문이다. 이로 인해 터널 발주처, 설계자, 시공자등 사이에는 아직도 자동식소화설비에 대한 비용 대비 효과에 대한 의문을 제기하고 있는 실정이다.

본 연구에서는 죽령터널, 가지산터널에 설치되어 운영되고 있고, 배후령 터널과 인제터널에 시공중인 물분무소화설비의 효용성을 평가하기 위해, 화재해석을 통해서 물분무소화설비가 화재시 유해가스 및 열환경에 미치는 영향을 고찰하였다. 또한 현재 국토해양부의 ‘도로터널 방재시설 설치 및 관리지침’에 제시된 정량적 위험도 평가기법에 의해서 물분무소화설비의 설치에 의한 위험도 저감효과에 대해서 고찰하였다.

2. 정량적 위험도 평가모델

2.1 모델터널제원

도로터널의 화재에 대한 정량적 위험도 평가방법은 ‘도로터널 방재시설 설치 및 관리지침’의 제 9장 정량적 위험성 평가 지침에 제시되어 있다. 본 연구에서는 이를 준용하였다(국토해양부, 2009).

연구 대상이 되는 모델터널의 제원은 표 1과 같다.

2.2 교통량과 차종 분포

모델터널의 교통량은 국내 고속도로 터널의 교통량을 조사하여 적용하였다. 국내 고속도로 터널의 평균교통량은 표 2와 같이 2002년 47,697대를 정점으로 지속적으로 감소하고 있다(국토해양부, 2011). 본 연구에서는 전국 평균값 보다 약간 많지만 2010년 기준으로 경부선(약 8만대), 영동선(약 7만대), 외곽순환선(약 8만대)보다 적은 5만대/일/년을 적용하였다.

차종별 혼입율은 표 3에 제시한 전국고속도로의 차종별 혼입율을 평균값으로 적용하였으며, 시나리오 작성시 적용한 차종별 열방출율 및 대피인원 산정을 위한 승차인원은 표 4와 같다.

2.3 물분무소화설비모델

본 연구에서는 물분무소화설비의 효용성 평가를 위해서 물분무소화설비가 있는 경우와 없는 경우에 대한 화재해석을 미국 NIST에서 개발하여 보급하고 있는 FDS (Fire Dynamics Simulator, by NIST)에 의해서 수행하였다(McGrattan, 2010).

FDS에서 물분무소화설비에서 방출되는 물입자는 기본적으로 라그라지안 입자로 취급되며, 일정한 시간 간격으로 일정한 량이 방출하도록 설정되어 있다. 입자의 유동은 방출압력에 의한 운동력과 입자의 크기에 의한 중력 및 화염에서 발생하는 부력의 3가지 힘에 의해 유동하게 된다.

또 물입자는 구형으로 취급되고, 입자의 분포는 누적체적분율(cumulative volume fraction)로, 직경 분포에 대한 수학적 알고리즘은 Rosin-Rammler/log-normal 분포를 따른다. 물분무소화설비가 화염에 미치는 영향은 물입자의 증발과정에 의한 흡열과 산란 및 흡수에 의한 복사열의 감소로 나타나게 된다.

본 연구에서는 물분무소화설비 노즐의 평균방수량은 7.5 l/min/m²으로 설정하였으며, 1개의 노즐이 담당하는 면적은 4 m²이다. 실제 물분무노즐의 방수밀도의 분포에 대해서는 소수현의 논문을 참조할 수 있다(소수현과 박경환, 2011). 그림 1은 FDS에 적용된 물분무소화설비의 방수밀도분포이다. 전체적으로 6 l/min/m²을 만족하였고, 중심부에서 밀도가 다소 높음을 알 수 있다. 물분무소화설비의 작동구간은 화재지점(1,000 m)을 중심으로 상하류 방향 50 m씩, 총 100 m로 설정하였다.

2.4 연기 독성 평가

연기에 의한 독성은 유효흡입분율(FED: Fractional Effective Dose)에 의해서 평가하였다. FED는 각 독성물질에 대한 LC50(실험 대상 동물의 50%가 사망하는 농도)에 해당하는 한계복용량에 대한 대피자가 호흡한 누적복용량의 비율이다. 인체에 미치는 영향은 식 (1)과 같이, 각 유해가스 및 열환경에 의한 FEDI(무기력에 도달하는 유효흡입분율)를 각각 구하여 합산한 값으로 평가한다. FED계산에는 일산화탄소, 이산화탄소, 산소농도 저하와 복사열 및 온도를 반영하였다. 무력화에 도달하는 FED 값은 아래식을 사용해서 구할 수 있다(Purser, 2008; Persson, 2002).

 (1)

 (2)

 (3)

 (4)

 (5)

 (6)

식 (1)은 무력화에 도달하는 FED값을 계산하는 식이고, 식 (2)는 일산화탄소, 식 (3)는 산소, 식 (4)는 열 그리고 식 (5)는 이산화탄소의 FED값을 계산하는 식이다. 식 (6)은 이산화탄소의 농도에 따라 증가하는 호흡속도를 나타낸다. 호흡속도가 증가하면 독성가스의 흡입도 증가한다.

2.5 피난평가

터널화재 시 피난은 화재의 감지(detection), 경보(alarm), 피난 결정과 안전장소로 이동의 순으로 행해진다. 화재 감지시간은 최초 발생한 화재의 성장속도와 크기, 터널 내 풍속, 감지기의 성능 등 다양한 요소에 의해 결정된다. 본 연구에서 감지시간은 국토해양부의 ‘도로터널 방재시설 설치 및 관리지침(2009)’에서 정한 기준인 ‘1 MW화재에서 1 분 내 작동’하는 것으로 가정하였다. 이에 근거해서 화재 경보는 화재발생 후 2분에 제공되고, 화재경보와 동시에 물분무소화설비가 작동되는 것으로 가정하였다.

피난 및 대피해석은 Road_QRA(유지오 등, 2006)로 수행하였으며, 입력 자료는 표 5와 같다. 사망자수 추정은 FED가 0.3이상인 경우는 사망, 0.1이상 0.2미만은 10명 중 1명 사망, 0.2이상 0.3미만은 100명 중 1명이 사망하는 것으로 평균등가사망자수를 산정하였다.

3. 정량적 위험도 평가결과

3.1 화재 시나리오 분석

모델 터널에 대한 화재시나리오는 ‘도로터널 방재시설 설치 및 관리지침(2009)’에 제시된 표준 시나리오를 기본으로 하여 화재시 제연팬 정상작동 및 자연풍의 방향 및 크기를 고려하여 작성하였다.

모델터널에서 교통사고가 발생할 확률은 그림 2와 같이 14.7건/년으로 계산되었다. 이 중 화재사고의 발생빈도는 5%로 설정하였다. 따라서 화재사고는 약 1.36년에 1회가 발생하고, 승용차는 2.2년 그리고 버스와 화물차는 36년에 1회로 화재가 발생하는 것으로 추정되었다.

승용차화재 중 약 40%는 초기에 소화기, 소화전에 의해 진압되고, 나머지 60%가 대형 화재로 전이된다. 또한 화재가 인근 차량으로 전파하는 경우는 전체의 2%로 185년에 1번, 단독화재는 3.8년 주기로 발생되는 것으로 분석되었다. 특수트럭의 화재강도는 100 MW로 하였으며, 화재는 1,795년에 1번씩 발생하고, 정체 상황에서 이런 화재의 발생빈도는 89,754년으로 분석되었다.

3.2 화재 해석 결과

3.2.1 화재시 풍속분포

화재시 터널의 위험도에 가장 크게 영향을 미치는 터널내 풍속은 제연팬의 가동여부 및 자연풍의 조건에 따라서 달라진다. 본 연구에서 제연팬은 소통원활인 경우에는 임계풍속, 교통상황이 정체인 경우에는 터널내 풍속을 0 m/s로 하는 운전계획을 적용하였다. 제연팬의 고장확률은 5%로 하였으며, 교통상황인 정체인 경우에는 임계풍속으로 운전하는 인적오류를 5%로 고려하였다. 또한 제연팬 고장시에는 자연풍이 터널내 기류에 영향을 미치므로 제연팬 고장시 터널 내 기류는 역풍, 순풍, 미풍으로 고려하였으며, 각각 비율은 1/3로 적용하였다.

본 연구에서는 화재초기의 교통환기력과 자연풍에 의한 터널 내 풍속분포를 동적해석프로그램(유지오 등, 2006)에 의해서 계산하였고, 이 값을 화재해석의 경계조건으로 적용하였다. 그림 5는 시나리오별 화재시 터널내 풍속을 나타낸 것이다.

3.2.2 화재시 터널내 온도와 SOOT 분포 비교

화재해석은 표 12와 같이 총 27개의 시나리오에 대한 화재해석을 실시하였다. 본 논문에서는 이 중에서 정체와 정상소통시 제연펜이 정상적으로 운전하는 2개의 시나리오를 제시하였다.

(1) 화재강도 : 20 MW(버스)

그림 6부터 그림 9는 정체상황과 비정체 상황에서 물분무소화설비가 있는 경우와 없는 경우의 온도분포와 SOOT 분포를 보여준다. 정체 상황에서 물분무소화설비가 없는 경우에 연기는 사고 지점을 중심으로 좌우로 약 800 m 정도까지 확산되었지만, 물분무소화설비가 있는 경우에는 냉각효과에 의해 연기의 확산이 400 m로 감소하였다. 가시도에 영향을 주는 SOOT 분포(그림 7)에서도 물분무소화설비가 있는 경우가 연기층의 확산 범위가 짧고, 동일지점에서 농도도 낮아졌다. 정상소통 상황에서도 그림 8과 같이 물분무소화설비가 있는 경우에 온도가 없는 경우에 비해 낮아졌고 SOOT 농도분포(그림 9)도 물분무소화설비가 있는 경우에 농도가 감소하였다.

(2) 화재강도 : 30 MW 화재(일반화물차량)

그림 10에서 정체 시 물분무소화설비가 없는 경우에 연기층의 전파거리는 900 m까지 확장되었지만, 물분무소화설비가 있는 경우에는 확산거리가 600 m로 감소되었다. SOOT 농도분포(그림 11)도 물분무소화설비가 있는 경우에 전파거리와 농도가 약간 감소함을 알 수 있다. 정상소통 시에도 교통방향 하류의 온도분포(그림 12)는 물분무소화설비가 있는 경우에 전파거리가 상당히 단축되었지만, SOOT 농도(그림 13)는 거의 변화가 없는 것으로 나타났다.

(3) 100 MW 화재(위험물차량)

그림 14부터 그림 17은 100 MW화재시 물분무소화설비 유무에 따른 온도분포와 SOOT 농도분포를 나타낸 것이다. 그림 14에서 연기의 전파범위는 물분무소화설비의 유무에 관계없이 비슷하였다. 반면 구조물을 파괴할 수 있는 200°C 이상 범위는 물분무소화설비가 있는 경우에는 거의 발생하지 않았다. SOOT 농도의 전파거리는 물분무소화설비가 있는 경우(그림 15)에 수증기의 발생과 팽창으로 인해 전파범위가 확대되었다. 비정체 상황에서도 정체 상황과 같이 고온층의 범위는 감소하였지만(그림 16), 연기의 전파거리와 SOOT 농도 값(그림 17)은 큰 변화가 없었다. 결과적으로 100 MW 화재에서는 냉각효과에 비해 가스농도 감소 효과는 거의 없었다.

3.3 피난시뮬레이션 결과 비교

화재시나리오별로 6개의 가상화재지점(표 5)에 대한 피난 평가를 수행하였다. 본 논문에서는 6개의 가상화재지점 중 가장 악조건인 피난연결통로(표 5)가 있는 1,000 m에서 화재가 발생하는 경우에 대한 결과를 제시하였다.

(1) 20 MW 화재(버스)

교통이 정체되고 물분무소화설비가 없는 경우(그림 18)에서 1,000 m 지점을 중심으로 0.1 이상의 FED값을 가지는 대피자들이 상당히 분포하였지만, 물분무소화설비가 있는 경우(그림 19)에는 그 수가 감소하였다. 정상소통시에는 물분무소화설비의 없는 경우(그림 20)와 물분무소화설비가 있는 경우(그림 21) 모두에서 FED값이 0.1 이상인 대피자가 발생하지 않았다. 모든 화재 지점에서 평가한 등가사망자는 표 8에 제시하였다.

(2) 30 MW 화재(일반화물차량)

정체시에는 물분무소화설비가 있는 경우(그림 23)가 없는 경우(그림 22)에 비해 최대 FED값이 낮아졌다. 또 등가사망자수도 물분무소화설비가 있는 경우에 감소하였다. 반면 정상소통 시 제연팬이 임계풍속으로 정상 작동하는 경우(그림 24, 25)는 물분무소화설비와 무관하게 연기에 노출된 인원이 거의 없었기 때문에 사망자는 발생하지 않았다. 결과적으로 표 9를 보면, 물분무소화설비가 있는 경우에 사망자가 감소하였기 때문에 피난에 유리하다는 것을 알 수 있다.

(3) 100 MW 화재(위험물파량)

정체 상태에서 피난평가 결과인 그림 26을 보면, 물분무소화설비가 없는 경우에 화재지점을 중심으로 FED값이 0.3을 초과하는 인원이 많이 발생하였다. 그림 27은 물분무소화설비가 있는 경우로 화재강도가 30 MW의 경우보다 화점 부근에서 많은 사상자가 나타남을 알 수 있다. 정상소통시 제연풍속을 임계풍속으로 유지하는 경우(그림 28, 29)에는 화재강도가 낮은 경우와 마찬가지로 사망자가 발생하지 않는 것으로 예측되었다. 6개 화재지점에서의 피난평가의 결과는 표 10에 제시하였다.

3.4 위험도 평가 결과

(1) 화재 시나리오별 비교

3.3의 피난평가 결과는 화재 시나리오의 일부만을 제시한 것이다. 전체 시나리오의 평가 결과는 표 11에 제시하였다. 결과를 보면, 20 MW 1개 시나리오를 제외한 26개 시나리오에서 물분무소화설비에 의해 사망자가 감소하였다. 물분무소화설비가 있는 경우에 더 많은 사망자가 발생한 이유는 피난평가프로그램에서 차량의 위치는 무작위적으로 결정되기 때문에 발생한다.

(2) F-N 곡선 비교

3.1의 시나리오 빈도분석과 3.3의 피난평가 결과를 종합적으로 사회적 위험도 평가 기준과 비교한 결과를 표 12와 표 13에 제시하였다. 표에서 물분무소화설비가 있는 경우를 없는 경우와 비교하면, 1명 이상이 사망할 누적빈도는 각각 5.0212E-3와 9.7041E-5로 51배, 10명 이상이 사망할 빈도는 2.3121E-3과 2.1497E-5로 107배, 100명 이상이 사망할 빈도는 5.8082E-6과 1.4508E-6로 3.8배 감소하였다.

이 결과는 물분무소화설비의 효과가 사망자가 낮은 값이 되는 화재시나리오 즉 20 MW와 30 MW 화재에서 효과적임을 의미한다. 표의 결과값을 사회적 위험도 기준이 되는 F-N 곡선으로 그림 30에 제시하였다.

이 그림에서 물분무소화설비가 없는 경우에 홍콩과 네덜란드 기준과 비교하면, 사회적 위험도는 수용불가능한 영역(unacceptable region)에 있었으나, 물분무소화설비를 설치함으로서 위험도가 ALARP영역으로 이동하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 터널에 설치되는 자동소화설비의 효용성을 평가하기 위해서 화재시나리오를 작성하고, 물분무소화설비 유무에 따른 화재해석 및 정량적 위험도 평가를 수행하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1.평가 결과, 물분무소화설비의 주된 효과는 물방울의 냉각효과와 SOOT, CO 가스에 대한 세척효과였다.

2.MW 화재에서는 물분무소화설비의 수증기 팽창에 의해 연기층의 전파거리가 약간 확장되었다. 이결과로부터 물분무소화설비가 최대 열방출율에 도달하기 이전에 작동하여 열방출율을 제어하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다.

3.평가의 결과, 1개의 시나리오를 제외한 26개 시나리오에서 물분무소화설비가 평균등가사망자 수를 낮추는 효과가 확인되었다.

4.또한 물분무소화설비가 있는 경우에 누적사망자의 빈도가 물분무소화설비가 없는 경우에 비해, 1명 이상이 사망할 빈도는 약 50배, 10명 이상이 사망할 빈도는 약 100배, 100명 이상이 사망할 빈도는 약 4배로 감소하였다.

5.빈도분석과 피난평가 결과를 F-N 곡선으로 작성한 결과, 물분무소화설비가 있는 경우에는 ALARP영역으로 위험도가 감소하였다.

결론적으로 물분무소화설비는 터널 화재 시 대피자들의 대피 환경을 개선하는데 효과적임을 확인하였다. 또한 물분무소화설비는 화재 초기에 자동으로 동작하도록 제어설비를 변경하는 것이 피난에 유리하다는 결론을 얻을 수 있었다.

기호

D : %COHb (무기력 30%, 사망 50%),

 : 무기력에 도달하는 유효흡입분율

 : 무기력에 도달하는 일산화탄소 농도

 : 무기력에 도달하는 이산화탄소 농도

 : 무기력에 도달하는 온도

FED : Fractional Effective Dose (유효흡입분율)

FID : Fractional Irreversible Dose (무기력흡입분율)

(FID에 사용)

RMV: Respiratory minute volume (분당호흡량)

T : 온도 (°C)

t : 노출시간 (min)

 : 이산화탄소에 의한 RMV (l/min)