1. 서 론
1.1 개요
1.2 지하도로 방재계획
1.3 기존 방재기술의 현황 및 개선방안
2. 자동모니터 소화설비
2.1 개 요
2.2 특징
3. 자동모니터 소화설비 국내외 기술동향
3.1 국내 기술동향
3.2 국외 기술동향
4. 자동모니터 소화설비 경제성 분석
4.1 검토개요 및 조건
4.2 경제성 검토 결과
5. 결 론
1. 서 론
1.1 개요
국내에 수도권 대도심지는 주거와 상업이 집중적으로 밀집되어 심각한 교통혼잡이 발생되고 있으며, 서울 수도권 지역에서는 교통 혼잡으로 인해 약 12.5조원 이상의 경제적 손실이 발생되고 있으며, 서울특별시는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 교통 혼잡에 따른 경제적 손실이 매년 5.88%이상씩 증가되고 있어 이에 대한 근본적인 해결방안이 시급한 상황이다(한국건설기술연구원, 2012).
이러한 교통 혼잡으로 인한 경제적인 손실을 줄이기 위해 지상교통망을 구축하여야 하나, 도로망 구축을 위한 공간 부족, 막대한 용지 보상비 발생, 토지소유자의 이해관계 등으로 사업추진에 많은 어려움이 발생되고 있다(Alain, 2008).
따라서 이러한 사회적/경제적인 문제를 해결하면서 새로운 교통공간 창출을 위해 국내외적으로 대심도 지하공간을 이용한 교통망을 형성하기 위한 건설이 활발하게 추진 중에 있다.
서울특별시에서는 교통체증으로 인한 도시경쟁력 제고 및 친환경 녹색도시로 만들기 위해 Fig. 2와 같이 동서 3축 남북 3축의 대심도 지하도로 구축망을 추진하고 있으며, 최근 부산시에서는 만덕-센텀 구간 대심도 지하도로 구축계획(Fig. 3)을 추진하고 있다.
대심도 지하도로는 도심지 대규모 인프라 건설로 노선망 구축을 위한 막대한 공사비가 발생되기 때문에 건설공사의 경제성을 고려하여 Fig. 4와 같이 소형차 전용도로중심의 복층터널을 기본단면계획으로 추진하고 있으며(한국건설기술연구원, 2012), 복층터널의 설계/시공/방재에 대한 핵심 원천기술 확보를 위해 연구개발사업을 추진하고 있다.
1.2 지하도로 방재계획
대심도 지하도로 1개 노선은 약 길이 10~20 km이상 지하 40 m이상으로 통과하는 장대터널이기 때문에 사고발생시 터널구조물 붕괴 및 인명피해의 위험도가 상당히 높기 때문에 안전한 지하도로 도로망 구축을 위한 철저한 사전조사 및 설계/시공이 필요하며, 특히 화재발생으로 인한 피해방지 최소화 방재설계가 철저하게 이루어져야 한다.
대심도 지하도로는 현행 ｢도로터널 방재시설 설치 및 관리지침｣상 1등급에 해당되는 도로터널 시설물로서 현행 지침에 제시된 터널 등급별 방재기준(Table 1)에 의거하여 계획되어야 한다(국토부, 2016). 최근 대심도 지하도로 건설계획에 따른 대심도 지하도로 지침(안)을 추진하고 있으나, 대부분 현행 도로터널 방재설계 기준을 토대로 지침(안)을 추진하고 있다.
1.3 기존 방재기술의 현황 및 개선방안
대심도 지하도로의 경우, 1등급 방재시설 적용으로 Table 1과 같은 방재설비가 계획되어야 하며, 기존 방재설비가 가지는 화재진압적인 측면의 특징은 Table 2에 나타낸 바와 같다.
이와 같은 특징을 바탕으로 Table 2와 같은 방재설비에서 화재발생 초기에 현실적으로 화재에 대응할 수 있는 설비는 물분무 설비밖에 없다(국민안전처, 2016, 삼보기술단, 2003). Fig. 5와 같이 일반적으로 물분무설비는 대피자가 화재구역에 최종 대피 후 25 m구역을 5 m간격마다 설치된 노즐이 분사되는 계획으로 화재확산 방지를 위한 주변냉각을 도모한다.
물분무설비는 기본적으로 천장부 좌우측 대칭으로 일정간격마다 분사헤드가 설치되어 분사되나, 최근 유지점검 및 경제적인 측면을 고려하여 터널 측벽에 측벽설치형으로 설치하고 있으며, 개념도는 Fig. 6과 같다. 물분무 설비는 ｢도로터널 방재시설 설치 및 관리지침｣처럼 화재를 진압하며, 구조물 손상을 최소화하기 위한 화재초기 진압시설로 되어 있으나, 완전한 화재진압을 위해 물분사가 화재지점에 집중분사가 아닌 구역분사로 이루어지기 때문에 화재지점에 유입되는 소화용수의 한계로 인하여 초기 화재 및 완전한 화재진압이 지연될 수 있다.
또한 물분사시 화재연기 증발 증기가 가시거리를 저해할 가능성이 있으며, 연기의 냉각으로 열부력에 의한 연기의 성층화를 파괴하고 연기층을 강하하여 터널내부의 전방시야가 가려지기 때문에 최종화재진압 주체자인 소방차가 현장에 진입하여 화재를 진압하는데 어려움을 갖고 있다.
경제적인 측면에서도 기존에 고가로 수입된 물분사헤드의 국산화로 물분무 설비에 대한 경제성을 확보하고 있는 추세이나, 물분무설비 시스템 자체의 많은 분사헤드 및 배관설치공사로 많은 노무와 재료비가 발생되어 물분무 설비에 대한 대폭적인 공사비 절감이 어렵다. 또한 경관/유지관리적인 측면에서도 터널 내부에 많은 노즐, 배관이 노출되어 미관이 좋지 않으며, 많은 배관 노출에 따른 유지관리 구역증대, 동절기 물분부 연결배관 동파, 고소작업에 따른 유지관리비 증가 등이 발생된다.
따라서 기존 방재설비의 기술적, 경제적, 유지관리 측면의 특징이 갖는 한계를 극복하기 위해 추진하고 있는 대심도 복층터널 설계시공기술 개발 연구과제를 통하여 화재발생시 화원에 직접 분사하여 화재가 최대화재강도가 발생되기 이전에 화재진압을 할 수 있는 자동모니터소화설비 시스템에 대한 국내외 기술동향 및 물분무 설비 대비 경제성이 있는 여부에 대한 비교분석을 수행하였다.
2. 자동모니터 소화설비
2.1 개 요
자동모니터 소화설비란 Fig. 7에 개략적으로 나타낸 것과 같이 터널내부에서 차량화재 발생시 화재가 최대 화재강도로 이어지기 전 사전에 화재위치를 운영자 또는 센서로 파악하여 자동/수동으로 화원에 직접적으로 분사가 가능한 시스템이다.
자동모니터 소화설비(Fig. 8, 9)는 터널측면에 일정간격으로 설치되어 상하좌우 및 화원과의 거리에 따라 분사방식의 조절로 화재초기에 진압이 가능하고 물분무 설비와 동일한 냉각효과가 가능하다.
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Fig. 9. The method to injection of automatic monitor (direct injection for long distance : right, Radial injection for short distance and cooling effect : Left) | |
2.2 특징
자동모니터 소화설비는 기존의 물분무 설비와는 다르게 화재최종진압을 위한 소방차가 진입하기 전 사전에 설치된 자동모니터가 직접 화재를 진압하는 능동적인 소화설비로서 화재진압 주체인 터널 관리자가 직접 조종하고 현장에서 자동/수동으로 화재지점에 분사시킬 수 있어 화재진압측면에서 좀더 효율적인 시스템이다.
이러한 기술적인 특징을 갖는 자동모니터 소화설비는 현재 도로터널에 적용되고 있는 물분무 설비와 비슷한 화재 대응 시스템 중 하나이지만 각각의 특징을 갖고 있다. 운영적인 측면에서는 Fig. 10과 같이 물분무설비와 큰 차이를 갖고 있지 않으나, 기술적인 부분에서는 Table 3과 같은 특징이 있다.
자동모니터 소화설비는 Table 3과 같이 화재진압적인 측면에서 기술적인 우수한 장점을 갖고 있으나, 도로터널에 적용된 사례가 없으며, 아직까지는 도로터널에 지침에도 수록이 되어 있지 않지만 자동모니터 소화설비는 도로터널분야가 아닌 기타 플랜트, 공장, 격납고 등에 대형화재 진압목적으로 국내외적으로 많이 사용되고 있어 도로터널 사용목적으로 적합한 자동모니터 소화설비 기술 및 경제성을 갖고 있다면 도로터널 방재분야에 새로운 소화설비의 하나로 발전될 수 있다(경진인터내쇼날, 2015).
3. 자동모니터 소화설비 국내외 기술동향
3.1 국내 기술동향
현재 국내의 도로터널 방재설계지침에는 1등급 터널과 관련된 자동모니터소화설비 설치에 대한 지침내용이 포함되어 있지 않으며, 이에 대한 적용사례 또한 전무하다. 하지만 도로터널 이외에 유류공장, 화학공장, 해상 플랜트 등 대형화재 발생가능성이 높은 곳에 자동모니터 소화설비가 적용되고 있다.
자동모니터 소화설비는 도로터널 화재강도(20 MW) 보다 높은 화재가 발생되는 장소에 주로 설치되고 있으며, 장거리분사 및 많은 분사량(보통 10,000 L/min 이상)이 요구되어 대형시설로 설치된다. 반경 50~70 m이내에 자동모니터 소화설비가 1개소씩 설치되기 때문에 운영적인 측면에서 운영자가 직접 현장에 가서 설비를 조작하거나, CCTV와 연동하여 상황자가 직접 조작패널을 이용하여 적용하고 있다.
최근에는 Fig. 11, 12와 같이 작업자에게만 의존하는 시스템이 아닌 설비 자체적인 화재감지를 통하여 화원에 직접적으로 분사를 하는 자동시스템도 국내에서 개발이 추진되고 있다.
3.2 국외 기술동향
국외에서는 도로터널에 기존의 방재시설의 단점을 보완하여 개량된 설비 개발 및 연구가 추진되고 있으며, 자동모니터 설비를 도로터널에 적용하여 자동화 구현 및 상용화를 추진하고 있다.
일본에서는 자동모니터 소화설비를 주로 국내와 마찬가지로 화학공장, 유류공장과 같은 플랜트 분야에 사용(Fig. 13)되고 있음을 파악하였으며, 건축물 내부에서는 화재감지 영상과 연동하여 자동으로 추적하여 분사하는 시스템까지 구현하여 적용되고 있다.
일본의 도로터널에서는 자동모니터시스템 보다는 기존의 물 분무 설비의 개량 및 포소화 약제를 포함한 옥내소화전(Fig. 14)을 설치하여 터널화재에 대한 방재설비를 계획하고 있다. 이탈리아에서는 플랜트, 공장 뿐만 아니라 도로/철도터널 분야에도 신사업개발을 위해 자동모니터 소화설비(개발사 : CACCIALA NZA&C)에 대한 제품개발(Fig. 15), 시뮬레이션, 성능검증 및 상용화가 되어있다(CACCIALANZA&C, 2013). 제품개발 측면에서 도로터널 화재강도, 시설규모를 고려한 자동모니터 규모 최소화(60 cm이내) 및 FDS 시뮬레이션을 통한 자동모니터 소화설비 화재진압성능에 대해 이론적인 정립을 하였다. 도로터널 화재발생시 자동모니터 소화설비 설치 유무에 따른 화재시뮬레이션 분석결과, Fig. 16, 17과 같이 600초이내에 자동화 소화설비를 통하여 화재를 진압하였으며, Fig. 18, 19에서도 자동모니터 소화설비 작동으로 인하여 HRR곡선이 현저하게 낮아 화재주변에 충분한 냉각효과를 발휘하는 것으로 파악하였다(CACCIALANZA &C, 2013).
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Fig. 14. Water spray extinguishing system and fire hose station with fire extinguishing medium in Shinjuku road tunnel |
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Fig. 16. FDS simulation of fire following time if operate automatic monitor (When T=600sec, fire suppression) |
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Fig. 17. FDS simulation of fire following time if do not operate automatic monitor (When T=1200sec, fire is still spreading) |
이러한 자동모니터 소화설비의 화재진압효율 향상을 위해 도로터널에 설치된 열감지 센서를 통한 화재위치를 파악하고 CCTV 또는 IP/TV를 통해 관리자가 조작할 수 있으며, 현장에서 수동으로 작동이 가능하도록 자동화 운영시스템(Fig. 20)이 개발되어 있다.
또한 자동운영시스템을 도로/철도터널에 시범설치하여 화재진압성능을 검증함으로써 실용화가 가능한 자동모니터 소화설비 시스템으로 개발되어 있다.
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Fig. 21. Application to Santa Croce road tunnel and Montelibretti railway tunnel for performance verification | |
위와 같은 국내외 조사결과를 토대로 자동모니터 소화설비의 기술조사결과 국외에서는 도로터널의 새로운 초기화재진압방식의 기술적으로 우수한 자동모니터 소화설비 시스템을 개발하여 상용화까지 추진되어 있어 국내에서도 기존방재시설의 단점을 개선하고 화재초기진압을 위한 방재설비 국산화연구 및 상용화 개발이 필요하다고 판단한다.
4. 자동모니터 소화설비 경제성 분석
4.1 검토개요 및 조건
국외 기술동향에서 이탈리아에서 개발된 자동모니터 소화설비는 화재진압 효율, 터널내 냉각효과 등 기술적으론 우수하나, 경제적인 측면에서 비용이 기존방재설비보다 많이 발생되면 현실적으로 국내 터널에 적용되기 어렵기 때문에 기존 방재시설에 자동모니터 소화설비와 화재대응 방식이 비슷한 물분무 설비와의 경제성 검토를 통하여 기술적인 측면 뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 검토를 실시하였다.
이러한 경제성 검토를 위해 국내 OO터널에 적용되었던 물분무 설비 공사비를 토대로 복층터널 설계단면을 고려하여 자동모니터와 비교분석을 실시하였다.
경제성 검토를 위한 터널조건은 Table 4와 같으며, 설치, 운영방법에 따른 조건은 Table 5과 같이 조건을 제시하였으며, 시설적인 측면의 공사비 산출을 수행하였다.
4.2 경제성 검토 결과
시설제원에 따라 물분무 설비 대비 자동모니터 소화설비 사용에 따른 주요 감소 및 변경내용은 Table 6과 같이 나타나고 있다.
이러한 감소 및 변동사항에 따른 물분무 설비와 자동모니터 소화설비의 각각 도출되는 공사비는 Table 7과 같이 도출하였으며, 자동화 모니터 소화설비는 기존의 물분무 설비 대비 총 33.4억(3,340 million KRW) 절감으로 약 28%의 공사비 절감 효과가 나타난 것으로 분석되었으며, 자동모니터 사용에 따른 공사비 증감은 되나 소화용수량의 감소로 인한 배관축소로 경제성을 확보할 수 있는 것으로 파악되었다.
또한 차량의 유류화재에 대해 물이 아닌 물+소화약제를 사용하면 추가적인 부대시설(압력펌프, 저장탱크, 소화약제)이 발생되나 총공사비의 5%이내 수준의 공사비 증가만 발생되기 때문에 기존의 물분무 설비보다도 시설적인 측면에서 경제성을 확보할 수 있으며, 터널공사에 기계적인 설비규모의 감소로 인한 부가적인 경제적 공사비 절감 및 공사기간 단축을 통한 공사 공정효율 증대에도 도움을 줄 수 있다고 판단한다.
5. 결 론
본 연구에서는 대심도 지하도로에서 화재발생시 초기에 진압할 수 있는 자동모니터 소화설비에 대한 국내외 기술동향 및 기존 물 분무 설비 대비 기술적/경제적 비교분석을 연구하였으며, 연구결과 주요내용은 아래와 같다.
1.자동모니터 소화설비는 국내에서는 도로터널에 직접적으로 시범적용 및 활발한 연구가 이루어지지 않았으나, 국외에서는 대형 플랜트 화학공장의 자동모니터소화설비 시스템뿐만 아니라 도로/철도터널 적용을 위한 이론적인 분석 및 시범설치를 통한 성능검증을 통하여 상용화가 추진되고 있음을 파악하였다.
2.자동모니터 소화설비는 기존의 도로터널 물분무 설비 대비 화재진압적인 측면에서 기술적인 우수성을 갖고 있으며, 복층터널을 기준으로 설비적인 측면의 경제성 검토결과 기존 물분무 설비 대비 약 33.4억(약 28%)정도 경제적인 절감효과를 확인 하였다.
3.자동모니터 소화설비는 화재진압을 위한 소화 용수량 감소 및 입상배관경 축소로 인하여 공사비 절감을 할 수 있었다.
자동 모니터 소화설비 시스템은 초기화재진압이 우수한 시스템이며, 국내외적으로 이론정립 및 실험을 통하여 다양한 분야에 적용되고 있는 시스템이다. 이러한 시스템을 지하도로에 적용이 된다면, 물적/인적 피해를 최소화 할 수 있는 시스템으로 새로운 방재시설로서 발전이 가능할 것이라 판단한다.
하지만 본 시스템의 상용화, 제품화를 위해서는 국내 터널의 특성을 반영한 운영시스템, 화재위치별 최적분사방안 시나리오, 최적분사각도, 분사량 등의 다양한 연구개발이 필요하며, 본 시스템에 따른 제도적인 개선을 통하여 실용화가 이루어 져야 한다.
이러한 국내 독자적인 자동모니터 소화설비 시스템을 통하여 새로운 방재기술에 대한 국내 독자적인 기술개발을 통하여 기술의 보급화 및 해외도입을 활성화하여 선진화 방재기술 강국으로 도약하기를 기대한다.
