1. 서 론
지상부의 도로 건설공간의 한계로 인해 지하도로의 건설이 가장 보편적인 대안으로 받아들여지고 있으며, 지하 공간의 효율적인 활용을 위해서 선진국의 대도시에서는 복층터널의 건설이 증가하는 추세이다(Moon, 2016). 특히 도심지에 건설되거나 계획하고 있는 터널은 운행하는 차량의 대부분이 소형차라는 점을 고려하여 소형차 전용터널로 건설되거나 계획하고 있는 실정이다.
국내의 경우에도 2010년에 서울시에서 격자형으로 지하도로망을 구축하는 U-smartway계획이 발표된 바가 있고 현재는 제물포로 터널과 서부간선도로 지하터널이 소형차 전용터널로 시공되고 있으며, 도심지에 대심도 복층터널의 환기 및 방재에 대한 연구가 진행되고 있다(Byun, 2011).
또한 소형차 전용터널은 제원면에서 천정높이(제물포와 서부간선; 3.6 m, A86; 2.6 m)가 낮아지고 터널 단면이 작게 설계되며, 터널을 통과하는 차량이 소형차로 제한되기 때문에 터널내 화재시 화재특성이 일반적인 대단면의 산악터널 및 현재 운영중이 터널과는 다른 특성을 보이게 된다(Lee, 2013). 터널에서의 화재시 대피환경을 확보하는 것은 인명 안전에 가장 중요한 역할을 하므로 소형차 전용터널에 대한 방재시설의 설계시 이와 같은 특성을 반영하여 설계할 필요가 있다(Yoo, 2015). 현재 국내에서 건설중인 서부간선도로 및 제물포로 터널의 경우, 일반도로 터널에 적용하는 20 MW의 화재강도를 적용하였으나, 이와 비슷한 규모로 건설된 프랑스 A86터널은 승용차 3대에서 동시에 화재가 발생한다는 조건에서 15 MW의 화재강도를 적용한 바가 있다(Opstad, 2006). 이와 같이 소형차 전용터널의 경우, 통과하는 차량이 일반적으로 승용차나 소형화물차량으로 제한되기 때문에 설계화재강도를 대형버스의 화재를 기준으로 하는 일반터널의 설계화재강도 보다 낮게 설정하는 것이 가능하다. 그러나 터널 단면적이 작아지면 화재강도가 동일한 조건에서 일반 대단면 터널보다 풍량이 감소하여 온도가 높아지고 유해가스농도가 증대하게 된다. 따라서 소형차 전용터널은 설계화재강도를 일반터널 보다 낮게 적용하는 것이 가능한 반면에 화재시 열 및 유해가스농도가 단면적의 감소로 인한 풍량 감소로 일반터널보다 열악해질 가능성이 높다(Yoo, 2015).
터널 방재시설 설계시 방재시설의 설치규모를 결정하기 위해 적용하는 차량의 화재강도(Heat release rate)는 일반도로 터널(이하 대단면 터널)의 경우에는 “도로터널 방재시설 설치 및 관리지침(Ministry of Land, 2015)”에서 버스 1대의 화재를 기준으로 최대 화재강도를 20 MW로 정하고 있으나, 소형차 전용도로의 터널(이하 소단면 터널)에 대해서는 정해진 바가 없다. 따라서 소단면 터널에 대해서 화재특성을 파악하고 적용 설계화재강도의 재검토가 필요한 실정이다.
이에 본 연구에서는 대배기구 방식을 적용한 소단면 터널에서 화재시 열환경 및 유해가스(CO)농도 특성을 고찰하기 위해서 A86, U-smartway, 서부간선도로를 모델로하여 터널 단면적, 화재강도 및 배연풍량에 따른 화재시 터널내 온도 및 유해가스농도를 수치해석적인 방법으로 해석하여 화재특성을 비교・검토하였다.
2. 해석조건
2.1 설계 화재강도
본 연구에서는 해석조건을 선정하기 위해서 소형화물차를 포함하는 소형차량에 대한 화재강도에 대한 연구결과를 조사하였으며, 이를 정리하면 Table 1과 같다(Ingason, 2006). 표에서 소형차 1대의 단독화재일 경우에는 최대화재강도가 1.5∼8.9 MW범위이며 평균 화재강도는 4.4 MW이다. 또한 2대 연속화재인 경우의 최대화재강도는 1.7∼10 MW범위이며 평균 화재강도는 6.8 MW이고, 3대 연속 화재인 경우에는 평균 화재 강도가 8.9 MW로 제시되고 있다. Park (2016)의 실험에서 2,000 cc급 중형 승용차의 1대 단독화재의 경우에는 최대화재강도가 2.4 MW, 2대 연속화재의 경우에는 3.5 MW로 비교적 낮게 제시하고 있다. Ingason (2006)은 화물차량에 대한 최소화재강도를 15 MW로 제시하고 있으며, 프랑스(Lacroix, 1997)의 경우는 천정높이가 3.5m이하인 터널에서 Van차량의 화재강도를 15 MW, UPTUN보고서(Opstad, 2006)에서는 작은 Van과 승용차의 화재강도를 10 MW로 제시하고 있다.
이상의 검토에서 소형차 전용터널에 대한 최대화재강도는 최대 15 MW이하로 평가될 수 있으나 국내의 경우에는 서부간선도로 및 제물포로 터널 설계시 20 MW를 적용하고 있다.
이에 본 연구에서는 소형차 전용터널에서 화재특성을 해석하기 위해서 화재강도를 10, 15, 20 MW로 적용하였다.
2.2 해석모델 터널
현재 승용차 또는 소형차 전용의 소단면 터널은 프랑스 파리의 A86터널이 2000년 초에 준공하여 현재 운영중에 있으며, 국내의 경우에는 서울시에서 계획한 바 있는 U-smartway, 현재 공사가 진행중에 있는 제물포와 서부간선터널이 있다. 각 터널의 단면 개요도는 Table 2와 같다. 소단면 터널의 높이(차도높이)는 2.62∼3.58 m범위이며, 단면적은 A86터널이 가장 작은 25.3 m2이고 서부간선의 경우는 46.67 m2이다. 국내에 건설중인 서부간선과 제물포 터널은 A86터널보다 천정높이가 높으며, 단면적 또한 약 2배 정도로 크다. 이것은 국내 소단면 터널의 경우, 소형화물차량이 통과할 수 있도록 계획하는 반면에 A86의 경우에는 승용차만 통과할 수 있도록 건설하였기 때문이다.
본 연구에서는 전술한 3개의 소단면 터널을 검토대상으로 하였으며, 해석모델의 격자형상은 Table 2에 나타낸 바와 같다.
모델터널의 총연장은 1,149 m로 각 터널의 횡단면상의 격자의 크기는 최소 0.1∼0.25 m정도로 하였으며, 종방향의 격자의 간격은 화원부에서는 0.3 m, 그 외의 지역에서 격자의 간격을 0.4 m로 하였다. 특히, 본 해석에서는 벽체를 통한 열전달 현상을 고려하기 위해서 벽체 라이닝을 모델링하여 벽체를 통한 열전달을 고려할 수 있도록 하였다.
제연방식은 대배기구방식에 의한 집중배연방식을 적용하는 것으로 하였으며, 배기구형상 및 설치간격은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 단면형상은 3×4 m, 설치간격 50 m로 하였다.
대배기구 방식에서 배연풍량(
)은 “도로터널 방재시설 설치 및 관리지침(Ministry of Land, 2015)”에서 식 (1)로 정하고 있으며, 화재강도에 따른 배기풍량()은 Table 3과 같이 적용하였다.
여기서, 
(m3/s)는 연기발생량이며, Ar(m2)과
(m3/s)는 주변공기의 유입으로 인해서 증가하는 풍량으로 는 종방향 기류를 제어하기 위한 부가풍량기준이다. 통상 수치해석을 통해 연기의 확산거리를 300 m 이내로 제한할 수 있도록 정하나, 터널제원 및 자연풍속에 따라 달라지므로 본 해석에서는 0.0∼2.5 m/s를 적용하였다.
2.3 경계조건
수치해석은 Fluent V6.3으로 수행하였으며 해석모델의 경계조건은 다음과 같이 설정하였다.
터널 입출구는 압력경계조건(pressure outlet)으로 하였으며, 배연은 X=0 m지점의 덕트말단에서 배기하는 것으로 하였다. 화재강도별 연기발생량 및 부가풍량 기준에 따른 풍량은 Table 3에 나타낸 바와 같다.
본 해석에서는 덕트의 말단은 한쪽은 막힌 것으로 하였고 X=0 m측 덕트출구는 속도경계조건(velocity inlet)을 적용하였으며, 풍속은 Table 3의 배연풍량을 덕트단면적으로 나눠 산정하였다.
배연댐퍼는 화원을 중심으로 양방향으로 각각 250 m구간에 있는 5개의 배연댐퍼를 개방하는 것으로 하였다. 화재는 터널의 중간지점(574.5 m)에서 승용차 3대에서 동시에 발생하는 것으로 하였다. 차량의 크기는 5(L)× 1.8(W)×1.6 m(H)이며, 모델링의 편의상 1열로 배치하였다. 또한 화원은 차량의 측면에 폭 1 m의 체적으로 설정하였다. 화재시 유해가스발생량은 실측결과가 없기 때문에 20 MW 화재 시에 일반적으로 적용하고 있는 CO발생량 0.1205 kg/s과 CO발생량의 1.25배의 soot발생량을 적용하였다(Tunnelling and Underground Space Association, 2009).
3. 화재해석결과
본 해석에서는 화재를 기준으로 상하류 방향으로 각각 5개소의 댐퍼를 개방하여 500 m의 구간에서 배연하는 것으로 하였으며, 덕트를 통한 배연은 한쪽방향으로 모두 배기하는 것으로 하였다. 때문에 댐퍼별 배연풍량은 Fig. 2에 보인 바와 같이 큰 차이가 발생하는 것으로 나타나고 있다. 즉, 배연팬이 위치하는 것으로 볼 수 있는 덕트의 출구에서 가장 가까운 -225 m지점의 댐퍼(D06)에서 풍량이 가장 크고 덕트 출구부에서 멀어질 수록 감소하고 있으며, 가장 먼 지점의 댐퍼(D14, D15)에서는 작은 풍량이지만 급기되는 방향으로 기류가 형성되는 것으로 나타나고 있다. 또한 화원부의 부근의 댐퍼풍량은 부력의 영향으로 증가하는 경향을 보이고 있다.
Fig. 3 및 Fig. 4는 터널 중심선상의 축방향 단면의 온도분포와 단면평균온도를 나타낸 것이다. 그림에서 덕트내 기류의 방향은 x=0 m방향이다.
그림에서 화원을 중심으로 상류측(x=0∼575 m구간)구간에서는 배연풍량의 변화에 따라 온도편차가 크지 않으나, 하류부(x=575∼1,150 m)에서는 배연풍량이 증가하면 온도가 큰 폭으로 감소하며, 확산거리 또한 배연풍량에 따라서 큰 차이가 있는 것으로 나타나고 있다.
Fig. 5는 터널별, 화재강도별로 화원을 중심으로 상하류 양측의 15 m구간(총 구간길이 30 m)의 평균온도(이하 화원부 온도)를 검토한 것이다.
A86터널의 경우, 화재강도별 화원부 온도는 부가풍량 변화에 따라 295∼340°C(10 MW), 500∼370°C(15 MW), 720∼420°C(20 MW)로 나타나고 있어 화재강도가 10 MW에서 15 MW로 증가하면 평균 1.5배 증가하고 화재강도가 20 MW로 증가하면 평균 2.1배 정도 증가하는 것으로 분석되었다. 또한, 화재강도가 동일한 경우에 부가풍량 기준을 0.0 m/s에서 2.5 m/s로 하면, 화원부 온도는 화재강도가 10 MW 일 때는 15%, 화재강도가 15 MW 일 때에는 26%, 화재강도가 20 MW인 경우에는 40%정도 감소하는 것으로 나타나고 있다.
U-smartway터널의 경우, 화재강도별 화원부 온도는 198.5∼248.8°C(10 MW), 288∼347.1°C(15 MW), 374.9∼482.4°C(20 MW) 범위로 분석되며, 화재강도가 10 MW에서 15 MW로 증가하면 평균 1.5배, 20 MW로 증가하면 2.1배 정도로 증가하는 것으로 나타났다. 또한 동일한 화재강도에서 배연풍량이 증가하면 화원부 온도는 감소하나 감소효과는 최대 20%정도로 비교적 큰 차이가 없는 것으로 나타나고 있다.
서부간선도로의 경우에는 부가풍량이 증가하면 화원부 온도가 크게 감소하는 경향을 보이고 있으며, 화재강도별 화원부 온도는 61.6∼183.2°C(10 MW), 74.8∼230.1°C(15 MW), 88.8∼290.3°C(20 MW)범위에 있다. 또한 화재강도가 10 MW에서 15 MW로 증가하면 1.3배, 20 MW로 증가하는 경우에는 1.64배 증가하는 것으로 나타났다.
단면적이 가장 작은 A86이 화원부 온도가 가장 높은 것으로 나타나고 있으며, 서부간선터널을 기준으로 하여 A86은 2.3(Va=0.0 m/s)∼7.1배(Va=2.5 m/s) 상승하며, U-smartway는 1.6(Va=0.0 m/s)∼5.4배(Va=2.5 m/s)상승하는 것으로 분석되었다. 이상의 검토에서 단면적 감소에 따른 화원부 온도상승은 배연풍량이 증대한 경우에 보다 큰 차이가 발생하고 있으며 단면적 감소율 보다 상당히 큰 증가가 예상된다.
Fig. 6은 화재지점을 중심으로 상하류의 200 m구간의 평균온도를 나타낸 것이다. 그림에서 A86과 U-smartway의 경우에는 상류 200 m구간의 평균온도는 부가풍량이 증가해도 큰 차이가 없는 것으로 나타나고 있으며, 서부간선도로의 경우에는 부가풍량이 증가하면 온도변화가 비교적 크게 나타나고 있으나, 최대 차이는 50°C정도로 비교적 크지 않은 것으로 분석되었다.
화재강도별로 상류부 평균온도는 A86의 경우에는 122.8°C(10 MW), 181.6°C(15 MW), 241.3°C(20 MW)로 화재강도가 10 MW에서 15 MW로 증가하면 1.6배, 20 MW로 증가하면 2.2배로 증가하여 화재강도 증가율 보다 약간 높게 증가하는 것으로 나타났다. 하류부의 평균온도는 배연풍량이 증가하면 급격히 감소하는 경향을 보이고 있으며, 부가풍량 기준이 2.0 m/s이상에서는 화재강도에 따른 차이는 거의 없는 것으로 나타나고 있다.
U-smartway의 경우에는 상류부의 평균온도는 풍속이 증가하면 약간 감소하나, 온도편차는 최대 25°C이하이며, 화재강도 증가에 따른 온도증가는 10 MW대비 15 MW는 1.45배, 20 MW는 1.94배 정도이다. 또한 하류부의 경우에는 부가풍량이 증가하면 큰 폭으로 온도가 감소하며 부가풍량이 가장 큰 2.5 m/s에서는 화재강도에 따른 편차가 거의 없는 것으로 나타나고 있다.
서부간선 터널의 경우에도 전술한 터널과 비슷한 경향을 보이고 있으며, 상류부에서 평균온도는 풍량이 증가하면 비교적 큰 폭으로 감소하며, 부가풍량이 1 m/s이상에서 하류부의 온도는 급격히 감소하여 화재강도에 따른 차이가 거의 없는 것으로 분석되었다.
Fig. 7은 열기류의 확산범위를 화재강도가 15 MW일 때 60°C를 기준온도로 하여 분석한 것으로 배연풍량이 상대적으로 큰 화재 상류측의 확산거리는 부가풍량에 관계없이 거의 동일하며, 약 220 m정도로 나타나고 있다. 그림에서 보는바와 같이 부가풍량이 증가하면 확산거리는 감소하는 경향을 보이며, 단면적이 상대적으로 큰 서부간선도로의 터널이 가장 짧은 것으로 나타나고 있다. 서부간선의 경우에는 부가풍량이 1.5 m/s이상이면 확산거리가 250 m이내로 제한되며, 단면적이 작은 A86 및 U-smartway의 연기확산거리를 250 m이내로 제한하기 위해서는 부가풍량 기준이 2.5 m/s이상 확보되어야 하는 것으로 나타났다.
이와 같은 상류측과 하류측의 확산거리 차이는 배연풍량이 상류측 댐퍼에 집중되기 때문이며, 대배기구 방식에서 댐퍼당 배연풍량은 댐퍼의 크기 및 터널연장에 따른 터널본선과 덕트의 압력분포에 영향을 미치기 때문에 이를 줄이기 위한 연구가 필요한 것으로 판단된다.
Fig. 8와 Fig. 9는 유해가스의 거동을 알아보기 위해서 터널 중심선 단면의 CO농도분포와 단면평균 CO농도를 나타낸 것이다. 그림에서 단면평균 CO농도는 화재 상류측과 하류측이 다른 경향을 보이고 있다. 즉, 단면평균온도와 마찬가지로 상류측은 부가풍량변화에 따라 큰 차이가 없으나 하류측은 풍량이 증가하면 급격하게 감소하는 경향을 보이며, 풍량에 따라서 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다.
A86터널의 경우에 화원부(화재를 중심으로 양측 60 m구간기준)의 CO농도는 화재강도별로 2,793∼1,380 ppm(10 MW), 4,307∼1,694 ppm(15 MW), 5,450∼2,010 ppm(20 MW)이며, U-smartway는 1,239∼2,526 ppm(10 MW), 1,469∼3,347 ppm(15 MW), 1,818∼4,502 ppm(20 MW), 서부간선은 135∼2,344 ppm(10 MW), 155∼2,658 ppm(15 MW), 181∼3,199 ppm(20 MW)으로 분석되었다. 따라서 CO농도도 온도와 마찬가지로 단면적이 감소하면 증가하며, 화재강도가 증가할수록 증가한다.
서부간선 터널을 기준으로 단면적 감소에 따른 CO농도의 증가율은 화재강도에 따른 차이는 비교적 작으며, 부가풍량 기준이 증가할수록 증가하는 것으로 나타나고 있다. A86터널은 10.7배(Va=2.5 m/s)∼1.5배(Va=0.0 m/s), U-smartway터널은 9.5(Va=2.5 m/s)∼1.2배(Va=0.0 m/s)증가하고 있다.
Fig. 11은 화재강도가 15 MW인 경우에 화재지점 하류부에서 CO의 확산거리를 480 ppm(5분내에 FED=0.1에 도달하는 수준)을 기준으로 분석한 것이다.
그림에서 보인 바와 같이 확산거리는 부가풍량이 증가하면 감소하는 경향을 보이고 있으며, 온도에 대한 확산거리와 마찬가지로 U-smartway의 경우가 확산거리가 가장 길게 나타나고 있으며, 한계거리를 250 m로 하는 경우, A86은 부가풍량기준이 1.0 m/s이상, 서부간선은 1.5 m/s이상, U-smartway는 2.0 m/s이상을 확보해야 하는 것으로 분석되었다. 이와 같은 경향은 A86의 경우, 화원부의 농도가 높음에도 불구하고 부가풍량이 증가하면 하류부 농도가 급격하게 감소하는 경향을 갖기 때문이다.
4. 결 론
본 연구에서는 대배기구 방식을 적용한 소단면 터널에서 화재시 화재특성을 고찰하였다. 모델은 A86, U-smartway, 서부간선터널의 단면으로 하였으며 화재강도(10, 15, 20 MW)와 배연풍량을 변수로하여 수치 해석함으로써 다음과 같은 결과를 얻었다.
1.본 해석에서는 화재를 기준을 500 m구간에 50 m간격으로 설치된 4×3 m크기의 배연댐퍼를 개방하여 배연하는 것으로 하였으며, 이 경우 배연댐퍼의 풍량은 배연덕트의 출구부에 근접한 배기구에서 가장 크게 발생하며 댐퍼당 풍량은 상당히 불균한 분포를 보인다.
2.A86 및 U-smartway의 경우 화재강도가 증가하면 화원부의 온도가 비례하여 상승하는 것으로 나타나고 있으나, 서부간선의 경우에는 1.3배(15 MW), 1.6배(20 MW) 증가하는 것으로 분석되었다.
3.터널 단면적이 감소하면 화원부 온도는 증가하며, 풍량이 증가할수록 온도 상승률이 증가한다. 서부간선터널을 기준으로 하는 경우, A86은 7.1(Va=2.5 m/s)∼2.3배(Va=0.0 m/s), U-smartway는 5.4(Va=2.5 m/s)∼1.6배(Va=0.0 m/s)로 나타났다.
4.화재강도를 증가시키는 경우, 화원부에서 CO농도는 A86의 경우, 화재강도 증가률에 비례하여 증가하나, U-smartway 및 서부간선의 경우에는 화재강도증가률 보다는 낮은 증가율을 보이고 있다.
5.터널 단면적 감소에 따른 CO농도 증가는 온도와 동일한 경향을 보이며, 풍량별 증가율 상당히 큰 차이가 발생한다. 서부간선터널을 기준으로 A86은 10.7(Va=2.5 m/s)∼1.5배(Va=0.0 m/s), U-smartway는 9.5배(Va=2.5 m/s)∼1.2배(Va=0.0 m/s)로 나타났다.
6.배기가 원활이 수행되는 화재 상류측 온도 및 CO농도는 배연풍량이 변하여도 큰 차이가 없으나, 하류부에서는 배연풍량에 따라 큰 차이가 발생하는 것으로 나타났다.
7.화재강도를 15 MW로 하는 경우, 연기의 확산거리를 250 m 이내로 제한하기 위한 부가풍량은 본 해석조건에서 A86과 U-smartway는 2.5 m/s이상, 서부간선은 1.5 m/s가 요구되는 것으로 나타났다.
