1. 서 론
최근 국내 도로터널 분야에서의 화두는 단연 대심도 터널이다. 도심지역의 인구증가로 인한 교통시설의 확충 및 공급이 끊임없이 요구되므로 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 국내에서는 지하공간의 이용이 지속적으로 증가되고 있으며, 특히 서울시에서는 도로교통 환경개선을 통한 도시경쟁력 제고를 위하여 지하도로 건설 계획을 수립하였다. 실제로 서울시의 서부간선도로, 동부간선도로, 경부간선도로, 제물포길, 국회대로 및 U-Smartway 등이 대심도 장대터널로 지하화를 추진 중에 있다(Seoul Metropolitan, 2014).
위와 같이 주요 간선도로를 지하화할 경우 연장이 수 km에 달하는 초장대 터널의 형성이 예상되며 해당 사업 중 경부간선도로, U-Smartway 등 일부는 경제성이 높은 복층터널 형태로 검토되었다. 추가로 국외의 사례 중 유럽과 아시아를 잇는 유라시아 해저터널의 경우 단선 복층터널이 단선 병렬터널에 비해 지진, 해수 유입 등 외적 요인에 대한 안전성이 우수하며, 경제성 측면에서도 유리한 것으로 검토되어(Jeon et al., 2009) 복층터널로 건설된 사례가 있다.
이러한 대심도에 설치되는 복층터널은 소형차 전용 터널로 단면적이 작고, 높이가 낮은 특징이 있어 일반 도로터널보다 공간이 협소하다. 특히 중형 승용차 실물 화재실험시 화재 발생 초기에 가연 공간에서 화재의 진화가 이루어지지 않으면 약 4분 내에 다른 차량으로의 화재 전파가 우려되며, 공간의 특성상 화재가 성장한 이후에는 소방대원들의 진입조차 어려울 것으로 예상된다(Yoo et al., 2010). 아울러 화재 발생시 일반적인 도로터널보다 연기가 빠르게 전파되어 대규모 인명피해 발생이 예상되므로 터널 이용자들이 최대한 연기에 노출되지 않고 대피하기 위한 시설물이 필요할 것으로 판단된다. 또한, 고속도로 및 도심터널의 경우, 소형차의 화재 발생 빈도가 높았으며, 일반국도 터널에서는 대형차의 빈도가 높게 나타났다(Kim et al., 2004).
따라서, 소형차 전용 대심도 복층터널에 화재 발생시는 일반 터널보다 더욱 악조건 발생이 예상되므로, 인명피해 발생을 최소화하기 위한 화재연기의 확산을 지연시키는 별도의 방재시설물이 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
이에 따라, 복층터널에 설치 가능한 화재연기 확산지연장치 개발을 위해 선행 연구되었던 대심도 복층터널 화재시 연기확산 방지연구(Yang et al., 2016)에서 3차원 CFD 해석을 통하여 화재연기 확산지연장치 작동 시 차단 면적에 따라 확산 효과를 분석하였고, 대심도 복층터널 화재연기 확산지연장치 연구개발(Yang et al., 2017)에서는 스프링 탄성을 이용한 화재연기 확산지연장치, 자중 이용 다단 낙하형, 롤스크린형, 전기동력을 이용한 화재연기 확산지연장치에 대하여 각각의 특성을 분석하였다.
각각의 특성을 분석한 결과 대심도 복층터널에 적용성이 뛰어나며 경제적으로 상품가치가 높고 유지관리 측면 또한 우수한 스프링 탄성을 이용한 화재연기 확산지연장치에 대하여 실물 실험을 통해 성능 평가를 계획한다고 언급하였다.
따라서, 후속 연구인 본 연구에서는 선행 연구된 결과를 바탕으로 스프링 탄성을 이용한 화재연기 확산지연장치 시제품을 제작하였고, 실물 테스트를 수행하여 대심도 복층터널(모형) 적용시 화재연기 확산지연 효과에 대하여 분석하였다.
2. 실험의 개요
대심도 복층터널 내 화재가 발생할 경우 스프링 탄성을 이용한 화재연기 확산지연장치의 화재연기 확산지연 효과에 대한 실험 결과를 분석하고자 하였다. 실험에 앞서 스프링 탄성을 이용한 화재연기 확산지연장치의 제원은 길이: 3 m, 폭: 2 m, 커튼: 1 m로 계획하였으며 커튼의 강하 높이는 약 1.0592 m이며 제작도면은 Fig. 1에 나타내었다.
화재연기 확산지연을 위한 성능 검증은 Fig. 2와 같은 실형터널 내부에 복층터널의 단면을 모사하기 위해 구조물(길이 30 m, 폭 11.6 m, 높이 3.6 m)을 설치한 후, 구조물 내부에 화재연기 확산지연장치를 설치하여 수행하였다. 설치 위치는 화원의 경우 실형터널 입구로부터 22 m 지점 바닥에 설치하였으며, 화재연기 확산지연장치의 경우 화원으로부터 10 m 지점(커튼 하강 위치 기준), 3.6 m 상부(천장)에 설치하였다.
이때, 화재연기 확산지연장치는 Fig. 3과 같이 3.4 m의 폭으로 중앙부에 설치하였고, 화재연기 확산지연장치 좌/우로는 풍절판을 설치하여 실험을 수행하였다. 실험에서 화재연기의 확산지연 효과를 확인하기 위하여 확산지연장치 전후방으로 연기 온도 측정을 위한 온도 센서와 화재연기 거동 분석을 위한 카메라를 설치하였다. 온도 센서의 경우 Fig. 3과 4에 나타낸 바와 같이 커튼부 전 ․ 후방이 동일하도록 터널 천장으로부터 바닥 방향으로 0.5 m 간격 및 커튼부 중앙 기준 좌, 우측으로 1.0 m 간격으로 온도 센서를 총 18개 포인트에 설치하였다. 화재연기는 액체연료 연소용 Pool 헵탄(Heptane)을 연소시켜 발생하였으며, 연기는 고온의 분포를 가지며 확산될 것이므로 확산지연장치의 커튼부측 0.5 m 전방과 후방에 온도 센서 설치를 통해 화재발생 이후 시간 경과에 따라 확산지연장치 후방으로의 연기확산 발생 여부를 온도 측정을 통해 분석하였다.
실험은 화재연기 확산지연장치의 지연효과를 검증하기 위하여 크게 화재연기 확산지연장치 미작동 시와 작동 시에 대하여 진행하였으며, 아래 Table 1과 같이 5가지의 Case로 수행하였다.
실험에 사용된 화원의 연료는 헵탄(Heptane)을 사용하였으며, 화원은 Fig. 5와 같이 지름 1 m의 원형 Pool 화재를 이용하였다. Pool 화재의 열 방출률은 식 (1)에 의하여 결정되며, 본 실험에 이용된 풀 화원의 열 방출률은 증발된 연료가 모두 연소된다고 가정할 경우 약 1.7 MW 정도이다(Babrauskas, 1998).
(1)
여기서, 
: 휘발성물질의 질량감소율(0.101 kg/m2sec, k
= 1.1 m-1) 
: 휘발성물질의 연소열(헵탄의 경우 44.6 MJ/kg) 
: 화원단면(m2)
아울러 실험시 온도 측정과 더불어 화재연기의 거동에 대한 영상 촬영을 위해 촬영 장비를 설치하였으며, 그 모습은 Fig. 6과 같다.
3. 화재연기 확산지연장치 실험 결과
화재연기 확산지연장치의 화재연기 확산지연효과를 검증하기 위하여 Case 1~5에 대한 실험 결과를 분석하였다. 온도 분석은 총 18개의 포인트를 측정하였으나 측정 지점 중 Fig. 7과 같이 커튼 전방 상단의 3개 지점(F1, F4, F7 지점), 커튼 후방 상단의 3개 지점(B1, B4, B7 지점)과 커튼 전방 중단의 3개 지점(F2, F5, F8 지점), 커튼 후방 중단의 3개 지점(B2, B5, B8 지점)의 온도를 비교 분석하여 화재연기 확산지연 효과를 분석하였다.
Case 1 화재연기 확산지연장치 미작동 시에는 커튼부 전방과 후방의 온도 분포가 유사하게 나타나 화재연기가 확산지연장치 하부를 통과하여 전파되고 있음을 Fig. 8의 온도분포 곡선에서 보여주고 있다.
Case 2 화재발생과 동시에 화재연기 확산지연장치 작동 시 커튼부 전방과 후방 온도는 Fig. 9와 같이 최고 전방 79.1°C, 후방 3.4°C로 분석되었으며, 커튼부 전방과 후방에 온도 차이는 약 75.7°C로 확연하게 나타나 화재연기 확산을 지연하는 효과가 나타났다.
Case 3 화재연기 확산지연장치를 화재발생 30초 후 작동 시 커튼부 전방과 후방 온도는 Fig. 10과 같이 최고 전방 96°C, 후방 5.3°C로 분석되었으며, 커튼부 전방과 후방에 온도 차이는 약 90.7°C로 확연하게 나타나 화재연기 확산을 지연하는 효과가 나타났다.
Case 4 화재연기 확산지연장치를 화재발생 60초 후 작동 시 커튼부 전방과 후방 온도는 Fig. 11과 같이 최고 전방 100.5°C, 후방 8.1°C로 분석되었다. 화재연기 확산지연장치가 미작동되는 60초 동안에는 커튼부 전방과 후방이 비슷한 온도 분포를 보였으나 화재연기 확산지연장치 작동 후 커튼부 전방과 후방에 온도 차이는 약 92.4°C로 확연하게 나타나 화재연기 확산을 지연하는 효과가 나타났다.
Case 5 화재연기 확산지연장치를 화재발생 120초 후 작동 시 커튼부 전방과 후방 온도는 Fig. 12와 같이 최고 전방 102°C, 후방 7.1°C로 분석되었다. Case 4와 마찬가지로 화재연기 확산지연장치가 미작동되는 120초 동안에는 커튼부 전방과 후방이 비슷한 온도 분포를 보였으나 화재연기 확산지연장치 작동 후 커튼부 전방과 후방에 온도 차이는 약 94.9°C로 확연하게 나타나 화재연기 확산을 지연하는 효과가 나타났다.
Case 1~5번 실험 결과 화재연기 확산지연장치 미작동 시와 화재연기 확산지연장치 작동 시와의 커튼부 전 ․ 후방에서의 온도 차이는 미작동 시 최고 약 85.9~75.9°C, 작동 시 최고 약 102~7.1°C까지 차이가 나는 것으로 분석되었다. 따라서, 커튼부 전방과 후방의 온도 분포를 분석한 결과 화재연기 확산지연장치 작동 시 화재연기 확산지연효과가 나타나는 것으로 분석되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 소형차 전용도로인 대심도 복층터널에 화재연기 확산지연장치 설치시 화재연기 확산지연 효과를 실형터널 실험 수행 및 온도 분석을 통하여 분석하였으며, 터널 내 기류의 영향은 고려하지 않고 실험을 수행하였다.
실험 결과 화재연기 확산지연장치가 미작동하는 경우와 확산지연장치가 작동하는 경우 온도 값이 미작동 시 전방 85.9°C, 후방 75.9°C 로써 10°C 차이 발생, 작동 시 전방 102°C, 후방 7.1°C 로써 94.9°C 차이가 발생했으며 화재연기 확산지연장치 작동 시 화재연기 확산지연 효과가 나타나는 것으로 분석되었다. 이러한 화재연기 확산지연장치를 대심도 복층터널에 설치하면 화재연기 확산지연효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
화재연기 확산지연장치 작동 시 대피자들이 화재연기에 노출되지 않고 대피가 가능해 인명사고 방지에 크게 도움이 될 것으로 판단된다. 그러나, 대피자들의 안전을 향상시키는 추가적인 방재시설물로서 활용하기 위해서는 커튼의 내화성능에 대한 실험과 터널 내 종방향 기류가 존재하는 상태에서 커튼 하강 높이에 따른 열기류의 확산 지연효과에 대한 종합적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
추후 연구개발을 통하여 대심도 복층터널 뿐만 아니라 일반도로터널에도 적용이 가능하도록 하면, 국내 도로터널에 화재발생시 인명피해를 최소화 시킬 수 있을 것이라고 판단된다.
