1. 서 론
2. 실험 장치, 조건 및 방법
2.1 실험 장치 및 조건
2.2 실험 방법
3. 실험 결과
3.1 분사 방향에 따른 살수밀도 특성
3.2 스윙 범위에 따른 살수밀도 특성
3.3 방수압력에 따른 살수밀도 특성
3.4 분사 방식에 따른 균일성 비교
4. 결 론
1. 서 론
도로터널은 지형적 제약을 극복하고 도로교통망의 연속성을 확보하기 위한 주요 사회기반시설이다. 그러나 터널은 외부와의 연결이 제한된 반밀폐 공간으로 화재 발생 시 고온의 연기와 열이 내부에 축적되고 터널 종방향으로 빠르게 확산될 수 있다. Hu et al. (2005)은 실물 규모 도로터널 실험을 통해 종방향 풍속이 연기 확산과 연기층 형성에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였으며, Lönnermark and Ingason (2006)은 대규모 터널화재 실험에서 화염의 종방향 확장과 인접 가연물로의 화재 확산 가능성을 제시하였다. 따라서 터널화재로 인한 고온 연기와 복사열의 확산을 억제하고 피난환경 및 터널 시설물의 안전성을 확보하기 위해 화재 초기의 성장과 확산을 제어하는 소화설비의 적용이 중요하다. 터널 화재의 성장과 확산을 제어하기 위한 방안으로 수계소화설비가 적용되고 있으며(Deng et al., 2025), 화재 구역에 물을 방출하여 화재 규모를 제한하고 인접 차량 및 가연물로의 화재 확산을 억제하는 역할을 한다(Li et al., 2024). 터널에 적용되는 대표적인 수계소화설비로는 스프링클러설비, 물분무소화설비 및 미분무소화설비 등이 있으며, 국내 「도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지침」(MOLIT, 2025)에서는 방재 1등급 터널에 물분무소화설비를 의무적으로 설치하도록 규정하고 있다.
수계소화설비를 이용한 터널 화재 제어성능에 관한 다양한 연구가 수행되어 왔다. Ingason (2008)은 축소 터널에서 노즐의 유량, 방수압력, 노즐 배치 및 환기 조건에 따른 열방출률, 온도 및 열유속을 분석하여 물분무의 화재 제어성능을 검토하였다. Meng et al. (2012)은 실물 규모 철도터널 대피정거장 실험에서 물분무가 화재를 제어하고 공기온도와 열유속을 감소시키는 것을 확인하였으며, Cheong et al. (2014)은 도로터널 내 대형 화물차 화재에서 수계소화설비의 작동이 열방출률 저감에 효과적임을 보고하였다. 또한 Li and Ingason (2013)은 축소 터널에서 스프링클러 작동과 환기조건에 따른 열방출률 변화를 분석하였으며, Van den Broecke et al. (2021)은 실물 차량화재 실험을 통해 일정 수준 이상의 살수밀도가 화재 제어에 필요함을 제시하였다. 이와 같이 기존 연구는 주로 열방출률, 온도 및 열유속 저감 등 수계소화설비의 화재 제어성능을 중심으로 수행되어 왔으며, 실제 도로면에 형성되는 위치별 살수밀도 분포와 그 균일성을 정량적으로 평가한 연구는 상대적으로 제한적이다. 특히 살수밀도가 불균일하게 형성될 경우 물이 충분히 도달하지 않는 취약개소가 발생할 수 있으며, 해당 위치에서 화재가 발생하면 요구되는 냉각 및 화재 제어성능을 확보하기 어려울 수 있다. 터널과 같은 대공간에서는 노즐의 분사 방향, 방수압력 및 분사 방식에 따라 살수밀도 분포와 취약개소의 위치가 달라질 수 있으므로 이를 정량적으로 평가하고 개선하기 위한 연구가 필요하다.
So and Park (2011)은 2차로 표준 도로터널을 모사한 실험장에서 6 m × 6 m의 측정구간에 총 25개의 수조를 5 × 5 배열로 배치하였으며 종·횡방향 모두 1.5 m의 등간격으로 설치하였다. 각 수조에 일정 시간 동안 집수된 물의 양을 측정하여 살수밀도를 산출하였다. 이를 통해 3종류의 물분무 노즐과 2가지 방수압력 조건에 따른 살수밀도 분포를 평가하였다. 실험 결과, 측정 위치에 따라 살수밀도 편차가 크게 나타났으며 일부 지점에서는 국내 도로터널 방재기준(MOLIT, 2025)의 요구 살수밀도를 충족하지 못하였다. Kim et al. (2025)은 동일하게 총 25개의 수조를 사용하였으나, 도로면의 길어깨를 포함한 보다 넓은 범위를 평가하기 위해 9 m × 6 m의 측정구간에 5 × 5 배열로 배치하였다. 이때 9 m 방향은 2.25 m, 6 m 방향은 1.5 m의 등간격으로 수조를 설치하였다. 이를 바탕으로 기존 고정식 물분무소화설비와 분사방향 제어기술을 적용한 설비의 살수밀도 분포를 비교하였으며 분사방향 제어가 특정 영역에 편중된 살수량을 재분배하여 위치별 편차를 완화하는 데 효과적임을 확인하였다. 그러나 원거리 영역에서는 요구 살수밀도에 미달하는 취약개소가 여전히 발생하여 전 구간의 요구 살수밀도를 확보하기 위한 추가적인 분사 방향 및 제어조건의 검토가 필요한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 실물 규모의 2차로 도로터널 실험장에서 물분무 노즐의 분사 방향 및 방수압력에 따른 살수밀도 특성을 실험적으로 분석하였다. 고정 분사 조건에서는 분사 방향을 근거리에서 원거리까지 단계적으로 변화시키고 위치별 살수밀도와 취약개소의 발생 특성을 평가하였으며, 왕복 분사 조건에서는 분사 방향의 왕복 범위에 따른 살수밀도 분포 변화를 분석하였다. 또한 측정 지점별 살수밀도의 표준편차를 산정하여 분포의 균일성을 정량적으로 평가하였으며 전 측정구간에서 요구 살수밀도를 충족한 왕복 분사 조건과 방수압력 증가 조건을 비교하였다. 이를 통해 분사 방향 제어와 방수압력 증가에 따른 성능 개선 효과의 차이를 규명하고 도로터널 물분무소화설비의 적정 운전조건 설정을 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
2. 실험 장치, 조건 및 방법
2.1 실험 장치 및 조건
본 연구는 2차로 도로터널을 모사한 폭 11.5 m, 높이 7.5 m 및 길이 40 m 규모의 실물화재 실험장에서 수행하였다. 물분무소화설비의 살수밀도 측정을 위해 구축한 실험장치의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 물분무의 생성을 위해 도로터널용 물분무노즐을 사용하였으며, 해당 노즐은 3개의 분사구로 구성되어 각각 근거리, 중거리 및 원거리 영역으로 물을 분사하도록 설계되었다.
물탱크에 저장된 물은 펌프를 통해 노즐로 공급하였다. 노즐로 물이 공급되는 배관 말단에는 유량계와 압력계를 설치하여 노즐의 유량과 방수압력을 측정하였으며, 펌프 운전조건을 제어하여 실험 중 노즐에 공급되는 유량과 방수압력이 일정하게 유지되도록 하였다.
노즐의 분사 방향을 조절하기 위해 공기압축기(air compressor)에서 생성된 압축공기를 공압실린더(pneumatic cylinder)에 공급하였다. 공압실린더의 직선 왕복운동을 노즐이 설치된 배관의 회전운동으로 변환하는 구동 메커니즘을 적용하여 노즐의 분사 방향을 조절할 수 있도록 실험장치를 구성하였다. 노즐의 분사 방향과 유량은 컴퓨터 기반 제어시스템을 통해 공압실린더의 위치와 펌프의 운전조건을 제어하였다. 살수밀도는 터널 중심선을 기준으로 좌우 각 4.5 m, 총 9 m의 측정구간에서 측정하였다. 측정구간에는 크기 0.3 m × 0.3 m × 0.3 m의 수조 총 9개를 노즐 중심축과 동일한 일직선상에 1열로 배치하였으며 수조 중심을 기준으로 인접 수조 간 간격은 1.125 m로 설정하였다. 각 수조에 포집된 물의 양을 바탕으로 측정 위치별 살수밀도를 산정하였다. 본 연구의 측정범위는 「도로의 구조·시설 기준에 관한 규칙」에 제시된 설계속도 100 km/h 도로의 2개 차로 폭 7 m와 좌·우측 길어깨 각 1 m를 고려하여 총 9 m로 설정하였다.
본 연구에서는 분사 방향이 일정 범위를 왕복하여 분사하는 방식을 ‘스윙’으로 정의하였다. Table 1에 본 연구의 실험 조건을 나타내었으며 총 11개 조건에 대해 살수밀도 측정 실험을 수행하였다. Case 1–Case 5에서는 고정된 분사 방향에 따른 영향을 검토하였고, Case 6–Case 9에서는 스윙 범위에 따른 살수밀도 변화를 분석하였으며 스윙 범위가 확대됨에 따라 분당 왕복 횟수는 10회에서 4회로 감소하였다. Case 10과 Case 11은 고정된 분사 방향 조건에서 노즐의 방수압력과 유량을 증가시킨 조건으로 방수압력의 영향을 검토하기 위해 설정하였다.
Table 1.
Experimental conditions
2.2 실험 방법
본 연구에서는 살수밀도 산정을 위해 노즐로부터 분사가 안정된 시점부터 1분 동안 분사하였다. 이후 각 수조에 집수된 물의 체적을 측정하고 식 (1)을 이용하여 살수밀도로 환산하였다.
여기서, 은 살수밀도(L/min·m2), 는 수조에 집수된 물의 체적(L), 는 수조의 바닥면적(m2), 는 분사 시간(min)을 의미한다. 본 연구에서는 수조의 바닥면적과 분사 시간은 각각 0.09 m2 및 1분으로 설정하였다.
3. 실험 결과
3.1 분사 방향에 따른 살수밀도 특성
Fig. 2에는 분사 방향에 따른 Case 1–Case 5의 살수밀도 측정 결과를 나타내었다. Case 1의 경우, Fig. 3(a)에서 확인할 수 있듯이 분사 방향이 노즐의 근거리 영역을 향함에 따라 해당 구간에서 살수밀도가 상대적으로 높게 측정되었다. 반면, 물분무가 원거리 영역까지 충분히 도달하지 못하여 원거리 측정 지점에서는 살수밀도가 법적 요구 살수밀도인 6 L/min·m2보다 현저히 낮은 수준으로 나타났다. 또한, 원거리 영역 이외에도 요구 살수밀도를 충족하지 못하는 취약개소가 확인되었으며 측정 구간 전반에서 지점별 살수밀도 차이가 크게 나타나 불균일한 살수밀도 분포를 보였다. Case 2의 경우, Case 1에 비해 근거리 영역의 살수밀도는 감소한 반면, 원거리 영역의 살수밀도가 증가하여 요구 살수밀도를 충족하였다. 그러나 4 m 부근에서 살수밀도가 법적 요구량인 6 L/min·m2를 충족하지 못하는 취약개소가 발생하였으며, 6 m 부근에서는 국부적으로 높은 살수밀도가 확인되었다. 따라서 Case 1보다 물분무의 도달 범위는 확대되었으나, 살수량이 일부 위치에 집중됨에 따라 취약개소가 형성되며 측정 구간 전반에서 균일한 분포를 형성하지 못한 것으로 판단된다. Case 3의 경우, 근거리 영역부터 원거리 영역까지 살수밀도가 비교적 넓은 범위에 걸쳐 균일하게 분포하였으나, 5 m 부근에서 살수밀도가 기준에 미달하여 국부적인 취약개소가 발생하였다. Case 4와 Case 5의 경우, 근거리 영역에서 상대적으로 낮은 살수밀도가 측정되며 취약개소가 발생하는 특징을 보였다. 이는 분사 방향이 원거리 영역을 향함에 따라 물분무의 도달 범위와 살수량의 집중 위치가 원거리 측으로 이동하고, 근거리 영역에 도달하는 물분무가 상대적으로 감소하였기 때문으로 판단된다. 이러한 경향은 원거리 영역 분사 조건을 대표하는 Case 5의 가시화 결과인 Fig. 3(b)에서도 확인할 수 있듯이, 분사 방향이 원거리를 향하여 물분무가 형성됨에 따라 노즐 인근에 도달하는 물분무가 상대적으로 감소하는 것으로 나타났다.
Fig. 4에는 측정 구간 내 살수밀도 분포의 균일성을 정량적으로 평가하기 위해 Case 1–Case 5의 살수밀도 분포로부터 산정한 표준편차를 나타내었다. Case 1의 표준편차는 6.32 L/min·m2로 가장 크게 나타났으며 이는 근거리 영역에 살수량이 집중된 반면 원거리 영역에서는 살수밀도가 급격히 감소하여 측정 지점 간 차이가 크게 발생하였기 때문으로 판단된다. 이러한 결과는 살수밀도 분포 및 가시화 결과에서 확인된 근거리 영역의 살수 집중과 원거리 영역의 제한적인 분사 특성이 반영된 결과로, 측정 구간 내 살수밀도 분포의 불균일성을 정량적으로 나타낸다. 분사 방향이 원거리 영역으로 이동함에 따라 물분무의 분사 범위가 확대되고, 근거리 영역에 집중되었던 살수량이 보다 넓은 범위로 분산되면서 표준편차는 Case 1의 6.32 L/min·m2에서 Case 5의 2.05 L/min·m2로 단계적으로 감소하였다. 이는 분사 방향을 원거리 측으로 조정할수록 측정 위치별 살수밀도 차이가 완화되어 살수밀도 분포의 균일성이 개선되었음을 정량적으로 보여준다. 한편, 원거리 영역 분사 조건에서는 근거리 영역에 도달하는 물분무가 감소하였으며 Fig. 3에서 확인한 바와 같이 근거리 측정 지점에서 요구 살수밀도에 미달하는 취약개소가 형성되었다. 따라서 단일 분사 방향만으로는 전 측정구간의 요구 살수밀도를 확보하는 데 한계가 있어, 이를 개선하기 위해 스윙 분사 조건을 검토하였다.
3.2 스윙 범위에 따른 살수밀도 특성
고정된 분사 방향에서 발생하는 살수밀도의 불균일성과 취약개소를 개선하기 위해 노즐의 스윙 범위를 단계적으로 확대하여 살수밀도 분포를 측정하였다. Fig. 5에는 Case 6–Case 9의 살수밀도 측정 결과를 나타내었다. Case 6은 근거리 영역을 중심으로 비교적 좁은 범위에서 스윙하는 조건으로, 노즐 인근에서 상대적으로 높은 살수밀도가 측정되었다. 반면, 4 m 부근에서는 살수밀도가 법적 요구량인 6 L/min·m2에 미달하는 것으로 확인되었다. 이는 본 연구에 사용한 노즐이 3개의 분사구를 가지며 각 분사구가 근거리, 중거리, 원거리 영역으로 분사되도록 설계되었으나, 근거리 중심의 제한된 스윙 조건에서는 각 분사구에서 형성된 물분무가 충분히 확산되거나 서로 중첩되기 전에 바닥면에 도달하여 일부 지점에서 살수밀도가 상대적으로 낮게 나타난 것으로 판단된다.
Case 7과 Case 8에서는 스윙 범위가 확대됨에 따라 근거리 방향으로 분사되는 시간 비율이 감소하였으며 이에 따라 노즐 인근의 살수밀도는 Case 6보다 감소하는 경향을 보였다. 이와 함께 물분무가 보다 넓은 범위로 분산됨에 따라 측정 구간 내 살수밀도 분포가 균일해졌으며 Case 6에서 4 m 부근에 나타났던 취약개소도 해소되었다. 다만, 원거리 영역에서는 살수밀도가 법적 요구량에 미달하는 새로운 취약개소가 형성되었다. 따라서 스윙 범위의 확대는 특정 영역에 집중되던 물분무를 분산시키는 데에는 효과적이었으나 일부 위치에서는 여전히 국부적인 취약개소가 발생하였다.
Case 9에서는 스윙 범위를 Case 7과 Case 8보다 원거리 방향으로 더욱 확대하였으며 이에 따라 물분무가 근거리부터 원거리까지 비교적 고르게 분배되었다. 그 결과, 모든 측정 지점에서 법적 요구 살수밀도를 충족하여 다른 조건에서 부분적으로 발생하던 취약개소를 형성하지 않는 것으로 나타났다.
Fig. 6에 스윙 범위에 따른 살수밀도 분포의 균일성을 정량적으로 비교하기 위해 Case 6–Case 9에서 측정된 살수밀도의 표준편차를 나타내었다. 스윙 범위가 가장 좁은 Case 6의 표준편차는 3.44 L/min·m2로 가장 크게 나타났으며, 스윙 범위가 확대됨에 따라 표준편차는 Case 6의 3.44 L/min·m2에서 Case 9의 1.79 L/min·m2로 감소하였으며, 이는 물분무가 넓은 범위로 분산되어 측정 위치별 살수밀도 차이가 완화되었기 때문으로 판단된다.
Fig. 5의 살수밀도 분포 결과와 Fig. 6의 표준편차 결과를 종합하면, 스윙 범위가 확대됨에 따라 표준편차는 3.44 L/min·m2에서 1.79 L/min·m2로 감소하였다. 또한 Case 6–Case 8에서는 일부 취약개소가 발생한 반면, Case 9에서는 모든 측정 지점에서 요구 살수밀도를 충족하였다.
따라서 적절한 범위의 스윙 분사는 국부적인 살수 집중을 완화하여 살수밀도 분포의 균일성을 향상시키는 동시에, 측정 구간 전반에서 요구 살수밀도를 확보하는 데 효과적인 것으로 판단된다.
3.3 방수압력에 따른 살수밀도 특성
방수압력 증가에 따른 살수밀도 변화를 검토하기 위해 분사 방향을 동일하게 고정한 상태에서 Case 3, Case 10 및 Case 11을 비교하였다. 각 조건의 방수압력은 Case 3, Case 10 및 Case 11에서 각각 2.2, 3.5 및 5 bar로 설정하였으며 이에 따른 노즐 유량은 각각 320, 400 및 470 L/min으로 증가하였다.
Fig. 7에 Case 3, Case 10, Case 11의 살수밀도 측정 결과를 나타내었다. Case 3에서는 5 m 부근에서 요구 살수밀도인 6 L/min·m2에 미달하여 취약개소가 발생하였다. Case 10은 Case 3보다 노즐의 유량이 증가함에 따라 대부분의 측정 위치에서 살수밀도가 상승하였으나, 5 m 부근에서 여전히 요구 살수밀도를 충족하지 못하였다. 반면, 방수압력이 가장 높은 Case 11에서는 모든 측정 위치에서 요구 살수밀도를 충족하였다. 따라서 분사 방향이 고정된 조건에서 측정 구간 전체의 요구 살수밀도를 확보하기 위해서는 본 실험 조건을 기준으로 Case 11 수준까지 방수압력을 증가시켜야 하는 것으로 나타났다. 한편, 방수압력 증가에 따라 노즐의 유량은 증가하였으나, 이에 따른 살수밀도의 상승은 측정 구간 전반에서 균일하게 나타나지 않았다. Case 10과 Case 11에서는 Case 3에서 살수밀도가 높게 나타났던 2 m와 8 m 부근에서 살수밀도가 크게 증가한 반면, 5 m 부근의 증가폭은 상대적으로 제한적이었다. 이는 방수압력 증가가 고정된 분사 방향 조건에서 노즐의 유량을 증가시키기 때문에 국부적인 고살수 영역의 살수밀도는 더욱 증가하지만 취약개소의 개선 효과는 상대적으로 제한될 수 있음을 보여준다.
Fig. 8에 Case 3, Case 10, Case 11에서 나타난 살수밀도 분포의 불균일성을 정량적으로 평가하기 위해 산정한 표준편차를 나타내었다. 각 조건에서 산정된 값은 각각 2.53, 3.22 및 4.03 L/min·m2로, 방수압력이 증가할수록 살수밀도 분포의 불균일성이 증가하는 경향을 보였다. 이는 노즐의 유량 증가로 전반적인 살수밀도는 향상되었으나, 물분무가 기존 고살수 영역에 집중되면서 측정 위치별 차이가 증가되어 분포의 불균일성이 오히려 확대되었음을 의미한다.
3.4 분사 방식에 따른 균일성 비교
Fig. 9에는 방수압력 변화 조건, 고정 분사 조건 및 스윙 분사 조건에서 각각 가장 균일한 살수밀도 분포를 보인 Case 3, Case 5 및 Case 9를 비교하여 나타내었다. Case 3, Case 5 및 Case 9의 표준편차는 각각 2.53, 2.05 및 1.79 L/min·m2로 나타났으며 스윙 분사 조건인 Case 9에서 가장 낮은 값을 보였다. 또한 Case 3과 Case 5에서는 일부 측정지점에서 요구 살수밀도에 미달하는 취약개소가 발생한 반면, Case 9에서는 모든 측정지점에서 요구 살수밀도를 충족하였다. 따라서 세 조건을 종합적으로 비교한 결과 스윙 분사 조건은 요구 살수밀도를 확보하는 동시에 살수밀도 분포의 균일성을 향상시키는 데 가장 효과적인 것으로 나타났다.
4. 결 론
본 연구에서는 실물 규모의 2차로 도로터널 실험장에서 물분무 노즐의 분사 방향 제어 및 방수압력에 따른 살수밀도 특성을 실험적으로 분석하였다. 총 11개의 실험 조건을 설정하고 길어깨를 포함하는 도로면 9 m의 측정구간에서 위치별 살수밀도를 측정하였다. 또한 측정 지점별 살수밀도의 표준편차를 산정하여 분포의 균일성을 정량적으로 평가하고 국내 도로터널 방재기준에서 요구하는 6 L/min·m2의 살수밀도 충족 여부를 검토하였다. 주요 결과는 다음과 같다.
1. 고정 분사 조건에서는 분사 방향이 원거리 측으로 이동할수록 물분무의 도달 범위가 확대되고, 살수밀도 표준편차가 6.32 L/min·m2에서 2.05 L/min·m2로 감소하였다. 그러나 분사 방향에 따라 근거리 또는 원거리에서 취약개소가 발생하여 단일 방향 분사만으로는 전 구간에서 요구 살수밀도를 충족하기 어려운 것으로 나타났다.
2. 스윙 범위가 확대됨에 따라 표준편차는 3.44 L/min·m2에서 1.79 L/min·m2로 감소하였으며, 가장 넓은 스윙 범위인 Case 9에서는 모든 측정 지점에서 요구 살수밀도 6 L/min·m2를 충족하였다.
3. 고정 분사 조건에서 방수압력을 2.2 bar에서 5 bar로 증가시킴에 따라 노즐의 유량은 320 L/min에서 470 L/min으로 증가하고 전 구간의 요구 살수밀도를 충족하였다. 그러나 표준편차도 2.53 L/min·m2에서 4.03 L/min·m2로 증가하여 살수밀도 분포의 불균일성이 증가하였다.
본 연구결과를 종합하면 분사 방향 제어기술을 적용한 스윙 분사는 방수압력과 유량을 증가시키는 방식보다 적은 유량으로 측정 구간 전반의 요구 살수밀도와 분포 균일성을 동시에 확보하는 데 효과적인 것으로 판단된다.
