1. 서 론

1.1 개요

최근 국내외 범국가간의 교류 및 협력 증대를 위해 해저터널을 연결하여 해양과 대륙을 연결하고자 노력하고 있다. 초장대 해저터널은 친환경 녹색성장 기술 중 하나인 육상물류터널로서 기술적, 경제적인 파급효과가 매우 우수하여 국외 선진국에서는 이미 해저터널건설(Fig. 1: 영불터널, Fig. 2: 세이칸 터널 등) 을 건설하거나 운영중에 있다.

이와 같은 해저터널 건설을 기반으로 국내에서는 각 지역별 효율적인 교통인프라 구축을 위해 부산-거제간 침매터널 건설 및 향후 추진될 ‘호남∼제주 해저고속전철 건설’, 한중/한일 해저터널 건설과 같은 메가 프로젝트 역시 정부정책 추진을 바탕으로 기술개발을 추진하고 있다. 초장대 해저터널은 건설분야에 있어 향후 건설시장 확대 및 첨단 육상교통의 중요한 미래핵심기술이기 때문에 해저터널 계획/설계/시공 분야의 다양한 특화기술 개발 및 선점을 통해 국내외 건설시장으로 확대할 필요가 있다.

1.2 해저터널의 방재계획

해저터널은 연장 15 km 이상이며, 바다 아래로 통과하는 장대터널로서 붕괴 또는 열차 화재시 기존터널 보다 더 큰 인명피해를 발생시킬 수 있기 때문에 안전한 건설을 위한 철저한 사전조사 및 설계/시공이 필요하며, 구조물의 붕괴 및 대형 인명피해를 발생시킬 수 있는 화재사고에 대한 방재설계가 철저하게 이루어져야 한다.

국외 유로터널에서는 Fig. 3과 같이 대피자가 안전하게 대피하여 인명피해를 최소화하기 위한 대책으로 해저터널 본선 중앙에 서비스 터널 및 약 15 km 간격마다 인공섬(artificial island) 및 구난역(Rescue Station)을 설치하여 상황발생시 열차가 구난역에 정차시 대피자가 서비스 터널을 통하여 안전하게 인공섬으로 대피할 수 있도록 설계하고 있다.

또한 열차가 구난역 이외에 정차시 본선터널에서도 서비스터널로 대피할 수 있도록 Fig. 3과 Fig. 4와 같이 일정간격으로 피난연결통로(Cross-passage)를 설치하여 대피자의 안전성을 고려하여 설계하고 있다. 이러한 국외 방재설계 사례를 기준으로 국내에서 추진하고 있는 호남-제주간의 초장대 해저터널 기본설계에서도 대피자의 안전성을 확보하기 위해 서비스터널, 구난역, 인공섬 등을 계획하고 있으며, 이러한 기존 방재시설보다 대피자 중심에서의 원활한 대피경로 확보 및 철도차량 화재진압 최적화를 위한 연구개발을 국가연구사업을 통하여 진행하고 있다.

1.3 해저터널 화재안전의 중요성

장거리 해저터널을 통과하는 철도차량은 특별한 상황을 제외하고 화재나 비상시 일정 간격으로 설치된 구난역(Rescue Station)에 정차하여 대피자가 안전하게 대피할 수 있도록 계획하고 있으나, 화재발생 철도차량이 구난역에 도착할 경우, 최대 15 MW(철도터널 화재강도 기준) 수준의 화재강도가 발생되기 때문에 많은 연기가 순식간에 확산된다.

구난역에 화재연기의 정체 현상을 방지하고 신속한 제연을 위해 수직환기구가 구난역 중앙에 설치되나 철도차량 화재가 전방이나 후방에 발생되는 경우, 중앙으로 제연되는 화재연기가 대피자의 대피방향과 동일하여 원활한 대피 및 안전에 문제가 발생할 수 있어 구난역의 제연설비 가동시 대피자가 화재연기에 노출되지 않고 원활한 대피경로 확보 및 질식으로 인한 인명피해를 최소화 하기위한 방안이 필요하다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 국토교통부 건설교통과학기술진흥원의 건설기술연구사업(고수압 초장대 해저터널 기술자립을 위한 핵심요소기술개발, 13건설연구T01)에서 추진하고 있는 연구과제를 통하여 열차 화재로 인한 구난역 정차시 대피자가 화재연기 노출을 최소화할 수 있는 대피경로 확보하고 안전하게 피난연결통로(Cross-passage)를 통하여 서비스터널로 대피하기 위해 열차와 피난연결통로 사이에 위치한 구난역 플랫폼에 에어커튼 시스템(Air Curtain System)을 이용하여 열차출입문(door of the passenger car)에서 승객이 열차객차 하차시 화재연기에 노출되지 않는 플랫폼을 제공하고 차연성능을 최적화 하기위한 3D 시뮬레이션을 수행하였다.

2. 에어커튼 시스템이란

2.1 에어커튼 시스템

구난역 플랫폼에 설치되는 에어커튼 시스템은 시로코 팬(sirocco fan) 방식(Fig. 6)으로 공기를 흡입하여 밀어내는 형태로 화재확산을 차단하는 차연시스템(Fig. 5)이다.

에어커튼 시스템의 차연성능에 대해서 국외에서는 Fig. 7에서와 같이 화재연기의 확산을 방지를 활용한 차연 효과 및 이용자 피난경로에 도움을 줄 수 있는 시스템(Ministry et al., 2009)으로 적용하였으며, 프랑스 EMNantes, CSTB 등에서 터널내 열과 기류를 차단하는 목적으로 사용하는 에어커튼에 대해서 설계 데이터를 확립하기 위한 연구를 수행 하였으며(Elicer et al., 2009). 중국의 경우 에어커튼을 통하여 화재로 인한 이산화탄소 및 화재 연기, 온도를 효과적으로 차단하는 기술적인 우수성을 모형실험및 시뮬레이션 실험으로 검증한 결과를 발표하기도 하였다(Hu, et al., 2008). 또한 Fig. 8에서와 같이 프랑스 A86도로에서는 에어커튼의 차연성능에 대한 이론적인 분석(Alain et al., 2008) 을 통한 시범설치 운영을 추진하고 있다.

이러한 에어커튼 시스템(Air curtain system)에 대한 다양한 연구 및 적용 기술을 바탕으로 국내에서도 에어커튼에서 방출되는 제트류에 대한 이론적 검토와 모델실험을 통해서 에어커튼의 성능에 영향을 미치는 요소와 상사법칙에 대한 연구를 추진하였으며, (주)동일기술공사와 한국건설기술연구원이 소방방재청 재난안전기술개발기반구축사업인 ‘에어커튼을 활용한 지하도로 연기제어 시스템 개발 ’연구과제를 수행하여 20 MW급 도로터널의 화재시 에어커튼 시스템의 차단 효율성을 검증(Yoo, et al., 2008)하기 위해 이론 시뮬레이션(Fig. 9) 및 차량전소를 통한 차연성능 검증 Test Bed (Fig. 10)로 검증하였다.

국내외 다양한 연구 및 개발을 통하여 추진되고 있는 에어커튼 시스템은 우수한 차연성능을 갖고 있는 방재시설로서 일반적인 철도 및 도로터널 뿐만 아니라 대규모 지하공간(지하차도, 지하보도 등)에 화재연기를 차단하여 인명피해를 최소화 할 수 있는 시스템으로 제도적인 개선을 통한 적용확대를 추진하고 있는 방재시설 중 하나이다.

3. 화재연기차단 시뮬레이션

3.1 시뮬레이션 개요

국내에서 추진하고 있는 호남-제주간 연결하는 초장대 해저터널의 방재설계에서는 총 50 km 연장에서 15 km마다 Fig. 11, Fig. 12와 같이 구난역을 계획하고 있으며, 구난역(Rescue Station)의 연장은 열차차량 길이를 고려하여 400 m로 계획하였다.

구난역 단면은 Fig. 13과 같이 환기/방재를 고려하여 본선단면 보다 크게 확폭하였으며, 중앙부에 수직환기소를 설치하여 환기 및 제연역할을 수 있도록 계획하였다. 또한 구난역에 플랫폼 폭원은 3.000 m이며, 피난연결통로(Cross-passage)는 구난역 연장 총 400 m에 50 m마다 설치되어 대피자가 플랫폼을 통하여 피난연결통로로 대피할 수 있도록 계획하였다.

구난역(Rescue Station)에서 화재열차 정차시 승객이 열차 승강대문에서 나와 플랫폼으로 이동후 피난연결통로(Cross-passage)로 대피하여야 한다. 하지만 많은 승객이 플랫폼에 하차하여 피난연결통로로 대피시, 많은 대피자가 순식간에 피난연결통로 주변으로 밀집되어 병목현상이 발생되어 완전한 대피를 위한 시간이 지체되어 화재연기에 장시간 영향을 받아 큰 인명피해로 발생할 수 있다.

대피자가 구난역 플랫폼에서 대피시간 지연으로 인한 화재연기로부터 영향을 최소화하기 위해 구난역 플랫폼에 에어커튼 시스템(Air curtain system)을 적용하여 화재연기를 차단할 수 있는 시스템을 Fig. 14 와 같이 계획하였다.

Fig. 14에서와 같이 화재열차가 구난역에 정차하였을 때 열차출입문(1.2 m)을 기준으로 정차 오차거리를 고려하여 에어커튼을 설치하였으며(설치길이: 3.6 m) 설치위치는 총 20량(열차 1량 길이: 20.0 m)에 각각 설치된 열차출입문을 기준으로 총 20개소에 설치되어 있으며 열차 승강대문을 제외한 구역은 화재연기를 차단할 수 있는 내화벽체를 적용하여 열차에서 발생되는 화재연기가 플랫폼 내부로 유입되지 않도록 시뮬레이션 모델링 Fig. 15와 같이 모델링하였다. Fig. 16와 Fig. 17은 시뮬레이션 모델링을 하여 열차가 15 MW급 화재가 발생되는 위치를 확대한 모습이다.

3.2 시뮬레이션 조건

시뮬레이션을 수행하기 위해 고수압 초장대 해저터널 기술자립을 위한 핵심요소기술개발에서 추진하고 있는 호남-제주간 초장대 해저터널 기본계획에 의거하여 구난역의 형상을 3D모델링을 하였으며, 철도터널 방재설계에 의거하여 시뮬레이션 입력조건을 설정하였다. 기본적으로 구난역의 모델링의 경우, Fig. 14와 같은 구난역 형태로 모델링을 계획하였으며, 열차는 국내에서 적용되고 있는 KTX 산천 열차제원을 기준으로 구난역 연장을 고려하여 총 20량의 열차를 기준으로 하였으며, 화재강도(Fire severity)는 Fig. 18과 같이 ‘철도차량 안전기준에 관한 지침(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (2010))’에서 정한 화재강도를 기준으로 15 MW를 산정하였다. 구난역의 터널내부 기류는 총 50 km연장중 350 km/h로 주행하는 열차의 속도를 고려하여 설정하였다.

시뮬레이션 해석은 CFD (Computational Fluid Dynamics)전용 해석을 위해 FLUENT의 프로그램을 사용하였으며, 이러한 시뮬레이션 해석을 위한 프로그램 경계조건(Boundary condition)은 Table 1과 같다.

3.3 최적화 방안 시뮬레이션

구난역(Rescue Station) 플랫폼의 화재연기 차단을 위해 적용되는 에어커튼 시스템(Air curtain system) 차단효율성을 최적화하기 위해 이러한 국내외 자료 및 사전 연구내용을 바탕으로 다양한 차단조건의 차단방식을 고려하여 계획하였으며, 아래의 그림(Fig. 19∼Fig. 23)과 같이 총 5가지 CASE를 기준으로 3차원 시뮬레이션을 계획하였다.

CASE 1의 경우, 화재연기 차단장치가 열차방향으로 15도 각도로 분사하였으며, CASE 2는 0도(바닥과 수직)로 분사하였으며, CASE 3는 플랫폼 방향으로 15도 각도로 분사하였다. CASE 4는 추가적인 화재연기의 배연을 도모하기 위해 플랫폼 하단부에 배기구를 설치(배연풍량: 15 m/s) 및 분사각도는 0도로 하였으며, CASE 5의 경우, 피난연결통로(Cross-passage)의 가압송풍기류 및 화재열차방향으로 15도 각도(Air jet with 15 degree)로 분사하는 방식이며, 에어커튼의 풍속은 30 m/s로 계획하였다.

4. 시뮬레이션 결과

CASE1∼CASE5의 시뮬레이션 결과 아래의 그림 (Fig. 24∼Fig. 28)과 같이 도출되었으며, 열차가 구난역에 정차후 30분 경과시 구난역 플랫폼에 에어커튼이 설치된 횡단면 및 종단면을 기준으로 CO (Carbon monoxide)가스 유입여부 결과를 도출하였다.

4.1 CASE 1 결과

CASE 1의 경우, 30분 경과후 화재열차로 인한 CO가스가 구난역(Rescue Station) 플랫폼 내부 시점부(우측부)에 유입이 되었으나 질식사를 발생시킬 정도의 CO가스가 유입되지 않고 소량의 가스유입으로 대피자가 대피하는데 문제가 발생하지 않는 대피경로를 확보하였다.

4.2 CASE 2 결과

CASE 2의 경우, 30분 경과후 화재열차로 인한 CO가스가 에어커튼의 수직방향 분사로 인한 와류로 인하여 에어커튼 설치 주변에 CO가스가 플랫폼에 유입이 되었으나, 소량의 가스유입으로 대피자가 대피하는데 문제가 발생하지 않는 대피경로를 확보하였다.

4.3 CASE 3 결과

CASE 3의 경우, 플랫폼 내부기류를 회전시켜 화재열차로부터 유입되는 연기를 막아주는 형태로 30분 경과후 화재열차로 인한 CO가스가 에어커튼 설치 위치 주변에 약간의 가스유입을 제외하고 대피자가 대피하는데 문제가 발생하지 않는 대피경로를 확보하였다.

4.4 CASE 4 결과

CASE 4의 경우, 에어커튼의 차단기류를 배기덕트가 종방향으로 배연해주는 시스템이나, 화재열차로 인한 연기가 30분 경과 후 구난역에 에어커튼의 하단기류를 배기덕트가 완전한 배기를 하지 못하여 에어커튼이 설치된 하단부에 난기류가 발생되어 많은양의 CO가스 유입이 되었다. 대피자에게 질식사 및 대피 지장을 줄만큼의 CO가스 유입이 발생하지는 않았지만 에어커튼과 배기덕트의 효율적인 설치 방안에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.

4.5 CASE 5 결과

CASE 5의 경우, 30분 경과 후 화재열차로 인한 CO가스가 구난역에 에어커튼의 분사와 피난연결통로(Cross-passage)에서 가압되는 기류영향으로 플랫폼 내부에 양압을 형성과 동시에 에어커튼이 분사되어 에어커튼의 하단부와 플랫폼공간에 CO가스 유입을 방지하여, 대피자가 가장 안전하게 대피할 수 있는 대피경로를 확보하였다.

4.6 시간에 따른 각 CASE별 CO가스 변화

각 시뮬레이션 조건별(CASE1∼CASE5) 30분동안 진행시간에 따른 구난역 플랫폼에 유입되는 CO가스 량의 관계에 대한 결과값은 Fig. 29처럼 나타났다. 측정지점은 화원에가 가장 가까운 곳에 설치된 에어커튼 단면을 기준으로 바닥면 1.5 m 높이에서의 CO농도 변화를 시간에 따라 그래프로 나타낸 것이다.

CASE별로 CO농도 변화를 분석한 결과 CASE1, CASE 5가 시간에 지남에 따라 CO가스 유입량이 가장 적으면서 안정되게 유지가 되었으며, 기류의 불규칙적인 변화가 없이 일정하게 유지하면서 화재연기차단을 확인하였다.

4.7 CASE별 최대 CO가스 유입량

30분동안 CASE별 구난역 플렛폼에 유입되는 최대 CO가스 유입량은 Table 2와 같이 나타났으며, CASE 5가 가장 최소 유입량을 나타내었다.

5. 결 론

본 연구에서는 대심도 초장대 해저터널에 화재열차가 구난역 정차시 대피자가 플랫폼으로 하차하여 대피할 때 화재연기로 인한 질식사 방지 및 안전한 대피경로 확보를 위해 열차출입문과 플랫폼 사이에 에어커튼시스템(Air curtain system)을 설치하여 화재연기 차단성능 및 최적화 설치방안에 대한 시뮬레이션 연구를 수행하였다.

에어커튼 시스템의 차단성능 및 최적화 도출을 위해 CASE별 시뮬레이션 해석결과, CASE5인 열차방향으로 15도 각도로 기류분사와 피난연결통로(Cross- passage)에서 작용되는 가압송풍을 적용 하였을 때 가장 효율적인 CO가스 차단효과를 발휘하였으며 열차방향으로 에어커튼이 15도 각도로 분사하는 CASE1에 대해서도 15 MW급 화재연기에 우수한 차연성능을 발휘하였다.

구난역에 열차 객차수만큼 피난연결통로를 설치시많은 공사비가 소요되기 때문에 일반적으로 피난연결통로 간격을 40∼50 m마다 설치한다. 따라서 이러한 피난연결통로 설치간격을 고려한다면 CASE1과 CASE5이 적용가능하며 대피자가 화재연기와의 영향을 최소화 할 수 있어 안전한 대피경로를 제공할 수 있다.

이와 같이 우수한 차연성능을 갖는 에어커튼 시스템(Air curtain system)은 다양한 시뮬레이션 조건에 따른 최적화 방안을 도출하였으나, 이론상의 검증뿐만 아니라, 실물 또는 모형 화재실험을 실시하여 구난역 플랫폼에 적용될 에어커튼 시스템의 신뢰성 검증이 필요하며, 철도터널 화재로 인한 다양한 대피시나리오(열차의 정차위치, 열차의 탈선, 대피자의 대피위치 등)를 고려하여 효율적인 에어커튼시스템 설계방안에 대한 연구도 필요하다.

에어커튼 시스템은 새로운 철도터널 화재안전 방재시설 중 하나로서 다양한 분야에 적용하기 위한 기초 연구자료로 활용되어 초장대 해저터널 뿐만 아니라 국내 지하철 플랫폼, 지하보도 등과 같은 다양한 지하공간분야에 인명피해 확산을 최소화 할 수 있는 차연설비로 발전될 것이라 기대한다.