1.서론

국내 탄약 저장시설은 거의 대부분 지상형으로 폭발시 주위에 미치는 피해에 대한 안전을 보장하기 위하여 광대한 부지 면적을 필요로 한다. 반면 지하탄약고는 암반의 방호능력을 활용하여 폭발 피해를 해당 시설내로만 국한함으로써 지상으로의 확산을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 외부 공격으로부터의 안전성, 부지면적의 절감, 유지관리의 효율성 등 많은 장점이 있다. 이와 같이 지하탄약고는 산지가 많은 국내 실정에 적합하고 여러 가지로 유리한 점이 많으나 아직은 초창기이기 때문에 설계․시공 및 운영에 대한 기술 축적이 미흡한 상황이다. 이에 본고에서는 지하탄약고의 설계개념과 실제 설계사례를 소개하였다.

2.지하탄약고의 설계개념

2.1 시설물 개요

지하탄약고의 시설물은 그림 1과 표 1에 나타낸 바와 같이 운영시설물과 안전시설물로 구분된다. 운영시설물은 저장격실, 격실출입통로, 출입통로 등이 있으며 안전시설물로는 방폭문, 격실입구 방폭벽, 출구방벽, 파편함정, 병목장치 등의 방폭시설물 등이 있다.

2.2 시설배치

1) 지반조건

지하탄약고는 암반을 폭발하중에 대한 저항체로 사용하는 구조물이므로 배치계획 수립시 암반의 강도, 최대주응력 방향, 불연속면의 방향 및 분포, 지하수의 주흐름 방향 등을 면밀히 고려하여야 한다.

암반강도가 양호할수록 저장격실간 이격거리를 줄일 수 있으므로 강한 암반지역에 위치하는 것이 유리하며 격실공동의 변형을 최소화하고 굴착시의 안정성 확보를 위하여 최대주응력 방향과 격실을 평행하게 위치시키는 것이 바람직하다.

격실은 잠재적인 불안정 암반쐐기를 최소화하기 위해 가능한한 주절리 주향 (strike)과 직교하도록 배치하여야 한다. 또한 불연속면이 격실을 가로지를 경우 역학적으로도 불안정할 뿐만 아니라 고압의 폭풍이나 고열이 불연속면을 통해 전달되어 연쇄폭발을 유발할 가능성이 있으므로 이를 피하도록 격실 배치 계획을 수립하여야 한다.

2) 양거리

양거리란 지하탄약고의 폭발시 발생하는 폭풍압이나 파편 등의 위험으로부터 확보해야 하는 안전거리를 말한다. 양거리는 각 저장격실의 순폭약량, 통로형태, 저장격실간 이격거리, 저장격실의 토피고, 통로거리, 방폭구조물 설치여부, 암반상태 등을 종합적으로 고려하여 결정된다. 국방부의 탄약 및 폭발물 안전기준에 따라 검토한다.

3) 탄약수불장비의 동선

전동지게차와 같은 탄약 운반장비가 지하탄약고 안에서 원활히 움직일 수 있도록 장비의 동선을 면밀히 분석하여 내부 구조가 적절히 설계되어야 한다. 동선 분석의 주요 대상 구역으로는 적하역장으로부터 출입구까지, 그림 1의 출입통로, 격실출입통로 및 저장격실 내부를 들 수 있다.

4) 단면 계획

지하탄약고의 단면으로는 저장격실단면, 통로터널단면, 파편함정단면, 병목장치단면을 들 수 있다. 국방부의 탄약 및 폭발물 안전관리기준에 제시된 단면 설계기준은 다음 표 2와 같다.

2.3 방폭시설 및 설계기준

지하탄약고는 암반을 굴착하여 그 내부에 다량의 폭약을 저장하는 지하 구조물로써 한 저장격실의 우발적 폭발에 대해 인접 저장격실은 구조적으로 안전해야할 뿐만 아니라 연쇄폭발이 발생치 않아야 하며, 또한 통로터널을 통해 분출되는 폭풍이나 파편이 외부에 대해 미치는 피해가 최소화될 수 있도록 설계되어야 한다. 특히 한격실의 폭발로 인해 인접격실에 미칠 폭압을 예측하고 이를 바탕으로 각종 방폭시설을 설계하여야 한다. 대표적인 방폭설비로는 방폭문, 방폭벽 및 방폭밸브 등이 있다.

방폭시설의 설계기준이나 설계지침은 ‘탄약 및 폭발물 안전관리 기준 (한국 국방부)’, ‘美공병단 지침서 CEGS -08390’, 또는 美국방성 폭발물안전위원회 (DDESB) 규정 등에 기술되어 있다.

3.○○지하탄약고의 설계사례

3.1 지반조사 성과분석

○○지하탄약고의 대상지역은 지질공학적으로 편상화강암으로 분류된다. 편상화강암은 석영, 사장석, 흑운모 등으로 구성되며 대체로 세립 내지 중립질이다. 풍화도는 대부분 신선～약간 풍화로 ‘경암’에 해당하는 양호한 암반이나 곳에 따라 부분적으로 염기성 암맥이 관입된 형상을 나타낸다.

비교적 천심도에 건설되는 ○○지하탄약고의 지반특성을 파악하기 위하여 지표지질조사, 탄성파 굴절법탐사, 전기비저항 탐사 등과 같은 물리탐사를 수행하였고, 지하탄약고 부지로서의 적합성 검토 및 지반정보 획득을 위하여 시추조사, 실내암석시험, 물리검층, 시추공영상촬영 (BIPS), 수압파쇄시험, 탄성파 토모그래피탐사, 텔레뷰어 (Televiewer)탐사, 음파검층 탐사기법을 수행하였다.

1) 지표물리탐사

대상부지에 대한 전기비저항 탐사 및 탄성파 굴절법 탐사결과 대상부지는 지하탄약고 건설에 전체적으로 양호한 암반상태로 판명되었으며 특이할 만한 지질구조는 존재하지 않는 것으로 나타났다.

그림 3에서 보듯이 탄성파 굴절법 탐사에서 획득된 기반암의 탄성파 속도 (P파)는 5,000m/sec 이상으로 보통암 이상의 속도를 나타내며, 전기비저항 탐사 결과 기반암과 경계면의 전기비저항 값은 보통암 수준인 3,000Ω․m로 나타났다.

2) 시추조사

대상부지에 대하여 총 7공의 시추조사를 수행하였으며, 상대밀도와 구성성분을 파악하기 위하여 총 11회의 표준관입시험을 실시하였고, 총 27회의 수압시험 및 지하수위 측정을 실시하여 그 결과를 배수설계에 반영하였다.

시추조사 결과 대부분 지표로부터 충적층, 풍화암, 기반암인 연,경암층으로 구성되어 있으며, 탄약고 설치심도 (E.L 165m～175m)에서는 거의 모든 시추공에서 보통암 이상의 암종을 나타내었으며 RQD는 평균 75%이상으로 대체로 신선한 상태를 보여주었다.

지하수위는 심도 7.5m～33.3m로서 탄약고 설치심도 상부에 존재하였다.

3) 수압파쇄시험

수평주응력 방향과 지중 측압계수의 측정을 위하여 BH-4, BH-5에 대하여 각각 5회씩 총 10회의 수압파쇄시험을 실시하였다. 그 결과 그림 4와 같이 수평주응력 작용방향은 BH-4에서 N 72E, BH-5에서 N77E로 거의 동일한 방향성을 나타내었으며, 수직주응력 성분과 수평주응력 성분으로부터 구한 측압계수는 1.79～3.87의 범위를 가지는 것으로 나타났다. 이같은 최대 수평주응력 방향을 고려하여 그림 4와 같은 시설배치계획을 수립하였으며 안정성 검토시 측압계수를 고려한 해석을 실시하였다.

4) Televiewer 및 BIPS

7공의 시추공에 대한 Televiewer 탐사 및 3공의 시추공에 대한 BIPS를 실시한 결과 전체적으로 N30～60W/ 60～80SW 계열의 절리군 (J2, J3)과 저각의 판상절리 계열 (J1, J4)이 우세하게 발달하고 있음을 확인하였다. 시추공 BH-1의 저각의 절리와 서쪽 경계부에 해당하는 시추공 BH-3의 절리 (N30W/73NE)가 시공시 터널면과 교차할 가능성이 있는 불연속면으로 지적되었다.

본 조사결과 대상부지에 추정되는 주요불연속면을 그림 5와 표 3에 나타내었다.

5) 암석 시험

시추코아에 대하여 암석의 물리적 및 역학적 특성을 구하기 위한 실내시험을 실시하였으며 그 결과는 표 4에 나타내었다.

암석의 일축압축강도는 평균 2,040kg/cm2으로 경암 이상의 강도범위를 나타내며 탄성계수 또한 평균 4.46×105kg/cm2으로 경암층의 탄성계수 범위를 나타낸다. 물성시험 결과 탄약고 설치 대상심도에 있는 암반은 경암층 이상의 특성을 나타내었으며 이는 물리탐사 결과와도 일치하는 경향을 보였다. 따라서 본 대상지역의 암반은 지하탄약고 건설에 문제가 없는 양호한 상태로 판정되었다.

3.2 시설배치 계획

1) 지반조사 결과 분석

암반강도, 최대주응력 방향, 불연속면 방향 및 분포와 지하수 흐름방향에 대한 분석 결과를 바탕으로 그림 6과 같이 지하탄약고 저장격실의 방향 및 위치를 결정하였다.

① 암반 강도 

저장격실 주변의 암반은 폭발시 방호역할을 하여야 하므로 3개 격실은 모두 RMR 70이상의 경암 지역에 계획하였다.

② 최대주응력 방향

격실은 단면 폭에 비해 길이가 약 2.5배 정도의 공동으로 최대주응력방향 (N72～77E)과 격실방향이 일치하는 것이 유리하므로 #3번 격실 (N30E)을 제외한 #1, #2번 격실 (N75E)은 최대주응력 방향과 격실방향이 평행하도록 계획하였다.

③ 불연속면의 방향 및 분포

지표지질조사, 선구조 분석, Televiewer 및 BIPS 분석 결과 파악된 4개소의 주요 불연속면이 격실과 격실 사이를 가로지르지 않고 또한 잠재적인 불안정 암반쐐기체적이 최소화되도록 주절리 방향에 가능한 직교하게 격실의 위치와 방향을 계획하였다.

④ 지하수 주흐름 방향

지하수위 측정, 수압시험, 水理해석을 실시한 결과 설계에 영향을 줄만한 지하수의 주흐름 방향은 발견되지 않았다.

2) 양거리 검토

지하탄약고 시설배치 계획시 가장 중요한 항목은 폭발시의 안전성을 만족할 수 있는 양거리의 확보이다. 본 설계에서는 “탄약 및 폭발물 안전관리기준 (국방부)”에 의거하여 다음 항목에 대한 검토를 수행하였다.

① 격실간격

인접 격실의 폭발로 인해 야기될 수 있는 연쇄 폭발과 고열 침투를 예방할 수 있는 격실 사이의 간격을 아래의 기준식에 따라 계산한 결과 #3격실에서 가장 큰 값인 44.4 m를 확보하여야 하는 것으로 나타났다 (그림 7).

▪스폴에 의한 손상방지거리

 (1)

Dcd : 최소격실간격 (ft), W : 순 폭약량 (Lbs)

저장밀도 및 암반상태에 따라 2.5～5.0 범위에서 계수값을 적절히 정한다.

▪스폴에 의한 폭발 전파 방지거리

 (2)

Dcp : 최소격실간격 (ft), W : 순 폭약량 (Lbs)

보호용 구조물 설치여부에 따라 0.75～1.5 범위에서 계수값을 적절히 정한다.

② 격실상부의 임계두께

저장격실의 폭발로 격실상부의 지반이 파괴되어 폭풍과 파편이 외부로 전파되지 않기 위해 요구되는 두께를 말한다. 식 (3)에 따라 계산 결과 모든 격실이 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다 (그림 8 참조).

 (3)

③ 주거시설과의 안전거리

지반충격이나 파편 또는 폭풍파 등의 영향으로부터 주거시설물이 손상되어 인체에 피해를 미치는 것을 예방하기 위한 거리를 말한다. 본 지하탄약고의 경우 파편 (#2격실 기준)과 폭풍압 (갱구부 기준)에 대해 주위의 주거시설은 안전거리가 확보되는 것으로 나타났다 (그림 9 참조). 검토항목과 적용공식은 아래와 같다.

▪지반충격에 의한 거리

 (4)

, w : 격실저장밀도 (Lbs/ft3)

저장밀도 및 암반상태에 따라 적용계수값을 달리한다.

▪파편에 의한 거리

 (5)

격실상부 임계두께의 확보 여부에 따라 상이

▪폭풍파에 의한 거리

 (6-1)

W < 100,000Lbs

 (6-2)

100,000 ≤ W < 250,000 Lbs

 (6-3)

W > 250,000Lbs 일 때

W : 순폭약량 (Lbs), VE : 폭풍파가 지나간 부피 (ft3)

④ 지상형 탄약고까지의 거리

폭풍 (air blast) 등의 영향으로부터 지상형탄약고의 손상을 예방하기 위한 안전거리를 말한다. #3격실의 경우 201.6m로 가장 인접하였으나 안전거리를 확보하는 것으로 나타났다 (그림 10 참조). 계산 항목 및 공식은 다음과 같다.

▪파편에 의한 거리 (격실상부 임계두께의 확보 여부에 따라)

 (7)

▪폭풍파에 의한 거리 (방벽설치 여부 및 압력에 따라)

 (8)

표 5는 각 격실별로 양거리를 검토한 결과이다. 검토 결과 격실간격 (34.4～53.2m)은 적정하나 격실상부 임계두께가 기준치 이하임을 알 수 있다. 따라서, 상부임계두께 부족으로 격실폭발시 파편이 격실 상부를 뚫고 비산될 우려가 있으므로 파편에 의한 주거시설 및 지상형탄약고까지의 거리가 기준치를 만족하도록 계획하였다.

3) 수불장비 동선분석

본 지하탄약고에서는 자동 시뮬레이션 프로그램인 AutoTurn을 이용하여 적하역장에서 출입구까지, 통로에서 격실입구까지 탄약의 수불을 위한 단면의 최소폭 및 연장을 검토하여 탄약수불작업에 불편이 없도록 시설배치를 계획하였다. 그림 11은 터널 출입시와 격실 출입시의 동선검토를 수행한 결과이다.

4) 단면계획

① 격실 단면

격실 단면은 설비 설치공간, 탄약의 적재 공간 및 수불작업 공간, 저장폭약량 등을 고려하여 결정하였다 (그림 12 참조).

- 격실 최소폭

▪암반굴착면과 방수텐트와의 거리 : 60cm

▪방수텐트와 탄약과의 이격거리 : 50cm

▪탄약 적재폭 : 6.3m (6열적재)

▪수불장비 (전동지게차+운반카트)운영폭 : 6.4m

▪소요폭 : 0.6×2+0.5×2+6.3+6.4=14.9m

- 격실 최소높이

▪암반굴착면과 방수텐트와의 거리 : 60cm

▪환기 및 조명시설공간 : 2m

▪탄약적재고 : 3.3m (4단적재)

▪소요높이 : 0.6+2.0+3.3=5.9m

② 통로 단면

통로단면은 탄약고내의 진출입 차량 및 수불장비의 운행조건을 고려하여 결정하였다. 본 지하탄약고는 전동지게차만 운행하므로 탄약적재시는 일방향통행, 비적재시는 양방향통행이 가능하도록 계획하였다(그림 13참조).

- 통로 최소폭

▪탄약적재물 폭 : 4.22m

▪전동 지게차의 폭 : 1.2m

▪일방향 : 4.22+0.75=4.97m

▪양방향 : 0.75×2+1.2+1.2+1.5=5.4m (소요폭)

- 통로 최소높이

▪전동 지게차의 높이 : 2.23m

▪시설공간 : 2.0m

▪소요높이 : 2.23+2.0=4.23m

③ 파편함정

파편함정은 국방부 기준에 의거하여 폭은 통로폭의 120%, 높이는 통로높이의 110%로 계획하였으며 그림 14와 같다.

④ 병목장치

병목장치는 국방부 기준에 의거하여 콘크리트 라이닝을 설치하여 단면적을 통로 단면적의 1/2이하로 계획하였으며 그림 15와 같다.

3.3 토목설계

1) 지보패턴 계획

○○지하탄약고는 격실, 통로, 파편함정, 병목장치 등의 여러 단면들로 구성되어 있으므로 단면별로 각각 지보패턴 계획을 수립하였다.

접속부, 확폭부에 대하여는 별도의 보강계획을 수립하였으며 표 6에 격실에 대한 지보패턴을 수록하였다.

주지보재로는 숏크리트와 록볼트를 적용하였으며 지반조건이 불량한 경우 강지보재를 추가로 적용하고, 터널 출구부에 설치되는 병목장치 구간에 대하여는 콘크리트 라이닝을 설치하도록 계획하였다. 숏크리트는 강성을 보완하기 위하여 강섬유 보강 숏크리트를 적용하였으며 상향천공 구간의 록볼트에 대하여는 몰탈 흘러내림 방지캡을 적용하여 시공성 및 안정성을 확보하였으며 강지보재로는 격자지보재를 적용하였다.

2) 굴착계획

본 지하탄약고는 격실 및 통로가 RMR이 70이상의 강한 암반지역에 배치되었으므로 전구간이 지보패턴-Ⅰ의 전단면 굴착으로 계획하였다.

그러나, 통로에서 격실로 굴착할때 통로 폭은 6.0m, 방폭벽 구간 폭은 4.0m, 격실  폭은 15.2m로 단면이 4.0m에서 15.2m로 확폭되어야하므로 지보패턴-Ⅱ,Ⅲ을 적용하며 그림 16과 같은 분할굴착 계획을 수립하였다.

3.4 터널 안정 해석

1) 지반특성치

지하탄약고 통과구간의 암종인 화강암의 공학적 특성 및 각종 시추조사, 물리탐사, 실내시험 결과를 토대로 암반을 분류하였다. 시추구간에 대해서는 시추조사 결과를 바탕으로, 미시추구간에 대하여는 RMR-전기비저항 및 Q-탄성파탐사의 상관관계를 이용하여 분류하였으며 수치해석시 실내시험결과, 경험식, 관련 문헌과 기존 설계적용사례등의 다양한 자료를 분석하여 적용 지반특성치를 결정하였다 (표 7 참조).

2) 대표단면 해석

본 지하탄약고의 대표단면으로는 저장격실,통로, 파편함정을 들 수 있다. 각 대표단면의 지보패턴에 대하여 연속체해석 (FLAC), 불연속체 해석 (UDEC), 키블록 해석 (UNWEDGE)을 수행한 결과 최대변위 및 응력은 저장격실 단면에서 발생하였으나 허용값 이내로 지보패턴에 대한 안정성이 확보되는 것으로 판단되었다. 각 단면별 해석결과는 표 8과 그림 17에 나타내었다.

3) 접속부에 대한 3차원 해석

본 지하탄약고는 통로와 저장격실로 진입하기 위한 격실접근통로 및 파편함정이 접속부로 계획되어 있다. 따라서 통로-파편함정-통로 접속구간은 응력집중이 예상되므로 3차원 해석을 수행하여 접속구간 보강패턴의 적정성과 안정성 여부를 알아보았다. 해석결과 천단변위 1.05mm, 내공변위 4.19mm, 숏크리트 최대휨압축응력 38.5 kg/cm2, 록볼트 최대축력 1.58ton으로 안정한 것으로 나타났으며 해석결과는 그림 18에 나타내었다.

4) 통로-저장격실 확폭부 안정성 검토

통로 굴착폭은 6m이며 저장격실 굴착폭은 15.2m로 터널 단면이 확폭되므로 이에 따른 3차원 안정성 검토를 수행하였으며, 해석결과 천단변위 1.51mm, 내공변위 0.66mm, 숏크리트 최대휨압축응력 5.13kg/cm2, 록볼트 최대축력 1.59ton으로 안정한 것으로 나타났다.

3.5 방폭시설 설계

1) 폭풍압 산정 결과

폭풍압 산정은 다음과 같은 세가지 방법에 의하여 산정한다.

① DDESB 제안식

여기서, Pw; effective overpressure, psi

W ; MCE, pounds,

VT; total volume, ft3

② Conwep 프로그램

③ BlastX 프로그램

여기서 DDESB 제안식은 최대폭약량 (W) 및 팽창체적만을 고려하는 간단한 경험식으로 지속시간과 충격량을 계산할 수 없으며, Conwep은 터널의 방향 변화에 따른 감쇠효과를 반영할 수 없는 점을 감안하여 본 설계에서는 국방부가 인정한 프로그램인 BlastX에 의해 산출된 최대폭풍압, 지속시간 및 충격량을 방폭설계시 작용하중으로 적용하였다.

표 9는 BlastX 프로그램을 적용하여 산정한 폭풍압을 나타낸다. #3격실 폭발시 최대충격압이 48.8 bar, 최대가스압이 15.6 bar가 작용하고, #1, #2격실 폭발시에는 최대충격압이 12.0 bar, 최대가스압이 1.8 bar가 작용하였다. 이를 이용하여 방폭문과 방폭벽, 방폭밸브의 제원을 결정하였다.

2) 방폭문

본 지하탄약고의 방폭문 설계사항은 다음과 같다.

① 재질: 철재 (Steel)

② 크기 (폭×높이):

2.0m×2.8m (#1, #2격실): 3.0 m×2.8m (#3격실)

③ 잠금장치: 전동식 및 수동식

방폭모타를 내장한 전동식을 기본 잠금장치로 하되 만일의 고장에 대비하여 비상용으로 수동식을 추가로 설치하였다.

④ 설계폭풍압 : BlastX 폭풍압 산정결과에 20%할증한 값을 적용

3) 방폭밸브

방폭밸브는 환기, 제습, 전기 설비들이 정상적으로 작동되도록 평소 개방되어 있다가 인접 저장격실의 폭발로 고압의 폭풍이 미칠 때 순간적으로 폐쇄됨으로서 내부설비를 보호하는 기능을 한다. 본 지하탄약고에 적용된 방폭밸브의 설계사양은 표 10과 같다. 밸브 주위로 누기 (漏氣)가 발생하지 않도록 밸브와 구조물 사이는 blast seal로 완전히 밀폐토록 하였다.

4) 격실입구 방폭벽

격실입구 방폭벽은 방폭문을 지지하는 역할을 함과 동시에 인접 저장격실의 폭발시 미칠 폭풍압에 저항하면서 작용하중을 주변 암반으로 전달하는 역할을 한다. 철근콘크리트 방폭벽의 설계요구사항은 다음과 같다.

▪쐐기형태로 설계하여 폭풍하중이 주변지반으로 분산될 수 있어야 한다.

▪주변암반에 견고하게 앵커되어야 한다.

▪암반과 콘크리트면 사이가 완전히 밀폐되도록 그라우팅을 실시하여야 한다.

▪폭풍파에 의한 방폭문의 반동 (rebound)을 견딜 수 있어야 한다.

▪폭풍파의 작용압력에 대하여 아칭현상이 일어날 수 있도록 벽체는 충분히 두꺼워야 한다.

본 설계에서는 구조해석 프로그램인 MIDAS -3D를 이용하여 격실입구 방폭벽에 작용하는 폭풍압을 정적하중 및 동적하중으로 구분하여 해석을 수행하였다. 정적하중은 DDESB 공식을, 동적하중은 BlastX를 사용하여 구하였다.

① 정적 및 동적 3차원 구조해석 결과

정적해석 결과에 비해 동적해석 결과가 모멘트는 약 18%, 전단력은 4%정도 크며 자세한 결과는 표 11 및 그림 22와 같다.

② 철근배근 결과

격실입구 벽체에 작용하는 정적 및 동적 하중에 대한 해석결과 동적하중에 의해 발생하는 부재력이 큰 값을 나타내므로 본 설계에서는 안전측으로 동적하중에 대한 결과를 설계에 반영하였다.

- 전면부 및 후면부 인장측에 인장철근 배근

: H32@125 전후면 3열 배근

- 벽체의 중앙부는 보강철근 배근

: H32@250 종방향 간격 200mm마다 배근

- 쐐기부는 보강철근 배근 → H32@300

- 덕트 통과구간 및 단부 보강을 위해 경사철근 배근

③ 격실입구 방폭벽 주변암반 검토

격실폭발로 인한 폭풍압이 방폭문과 격실입구 방폭벽에 도달될 경우 주변암반이 최종 지지 및 저항을 하게 된다. 주변암반의 파괴가 발생하면 격실입구 방폭벽은 물론 저장격실의 붕괴가 발생하여 연쇄폭발을 유발할 수 있으므로 그 가능성을 반드시 검토하여 필요시 보강계획을 수립하여야 한다.

본 지하탄약고에서는 FLAC을 이용하여 작용폭풍압에 대한 동적해석을 수행하였으며, 해석결과 최대변위 0.85 mm, 최대주응력 4.9Mpa, 소성영역은 격실입구벽체 전면 쐐기부에서 일부 발생하는 양상을 보였지만 전반적으로 안정성에 문제가 없는 것으로 판단되었다. 해석위치 및 해석결과는 그림 24에 나타내었다.

5) 출구방벽

출구방벽은 터널 출구부에 설치하여 분출 파편이 전방 (前方)으로 비산하는 것을 방지하는 역할을 한다. 국방부 기준에 의거하여 터널 갱구부 앞에 높이 6.0m, 길이 16.93m의 철근 콘크리트 구조물로 설계하였다 (그림 25).

3.6 제습시설 및 방수설계

1) 제습시설

본 지하탄약고 격실내에 발생되는 제습부하를 계산하여 적정용량의 제습기를 격실 1개소당 1개, 총 3대의 제습기를 계획하였다.

제습기 형식은 허니컴 로터에 습한 공기 (process air)를 통과시켜 수분을 제거한 다음 건조공기 (dry air)를 저장실 내에 공급하고 한편 상대적으로 온도가 높은 격실내의 재생공기 (reactivation air)를 통과시켜 로터 표면에 흡착된 수분을 제거한 다음 외부로 배출하는 방식인 건식 제습기로 계획하였다 (그림 26).

지하탄약고의 제습기 설계조건은 다음과 같다.

① 상대습도 기준 : 55% 이하 유지

② 형식 : 건식 하니컴 로터 방식

③ 방폭여부 : 非방폭 설비 (격실 외부에 설치)

④ 습도센서 : 재생공기를 흡입하는 배관내에 설치, 기계실에서 원격 모니터링 가능

⑤ 제습량 (부하) : 5kg/hr

제습방식은 격실내 공기를 재순환하여 제습하고 별도의 환기는 없는 방식을 채택하였다 (그림 27). 평상시에는 격실내 습도를 제습기 인입측에서 감지하여 제습후 격실에 공급하고 수불작업시에는 제습기를 정지시킨다.

2) 방수시설

본 지하탄약고의 방수시설은 초기설치비가 저렴하며 국내 시험용 지하탄약고 및 해외 지하탄약고에 적용된 바 있는 방수텐트를 적용하였다.

방수텐트는 외부로부터의 수분 침투를 막고 낙석들의 낙하 피해를 방지할 목적으로 격실에만 설치하였으며 설계사양은 다음과 같다 (표 12).

① 재질 : 낮은 투습율, 높은 인장강도

② 천장형태 : 아치형 (암반수와 낙석이 흘러내릴 수 있도록 아치형)

③ 지지 골조 설치 : 방수포, 덕트, 조명 설치

④ 방수포와 암반면 사이 : 60cm 이상 띄움

⑤ 방수포 사이, 방수포와 바닥 (철근 콘크리트) 사이 완전 밀폐

4. 결론

본고에서는 실제 설계사례를 통해 지하탄약고의 주요 설계사항인 시설배치설계 (layout design), 방폭시설, 방수시설 및 제습시설의 설계 내용과 기술사항들을 기술하였다. 본고의 주요내용 및 결과는 다음과 같다.

1) 시설배치 계획 (Layout Planning)

지반 측면에서는 지반조사결과를 분석하여 RMR 70이상의 경암에 주응력방향과 격실의 길이방향이 평행하고 또한 인접한 격실 사이로 불연속면이 연속되지 않도록 시설배치계획을 수립하였다.

폭발안전 측면에서는 국방부 기준에 의거하여 안전거리가 확보되도록 격실 배치계획을 수립하였다. 또한 탄약 수불장비의 동선을 고려하여 통행에 불편이 없도록 시뮬레이션을 통해 시설배치계획의 적정성을 검증하였다.

2) 방폭시설 설계

우발적 폭발에 대비하여 인접격실에 작용하는 최대 폭풍압의 정압 (+) 및 부압 (-)에 대하여 고루 저항할 수 있도록 방폭문 및 방폭밸브를 선정하였다.

방폭문에 작용하는 폭풍하중이 방폭벽을 통해 접속부에서 전단파괴를 발생시키지 않고 주변암반에 효과적으로 전달되도록 격실입구 방폭벽을 쐐기형태로 설계하였다.

3) 방수 및 제습시설 설계

격실내에는 외부로부터의 수분침투 방지 및 낙석에 의한 탄약 보호를 위해 인장강도 3,000 N이상의 방수텐트로 설계하였다.

격실내에 발생하는 제습부하를 추정하여 제습방식, 설치개소, 기계용량 등을 결정하였다.

4) 결언

그동안 국내에서는 도로터널, 지하철, 철도터널 등 수많은 교통터널이 설계 및 건설되어 왔고 또한 유류비축기지와 농수산물 저장고와 같은 지하저장시설 건설사업도 계속적으로 확대되어 왔다. 지하탄약고는 암반의 방호능력을 활용하여 폭발피해를 해당 시설내로만 국한함으로써 지상으로의 확산을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 외부 공격으로부터의 안전성, 부지면적의 절감, 유지관리의 효율성 등 많은 장점이 있다.

따라서 금번의 경험과 지금까지의 지하공간 개발로부터 축적된 기술을 확대 적용한다면 군의 각종 기지시설과 화약저장고나 폭발성 물질저장고와 같은 민간의 각종 위험물 저장시설을 안전하고 경제적으로 지하화 하는데 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.