1. 서 론
국내 도로터널은 도로종류(국도, 고속국도), 운행차종(소형차, 전차종), 차로구성(2차로, 3차로), 터널형식(복층, 단층) 등으로 계획되는 시설한계에 따라 최적단면을 구성하고, 터널 특성을 고려한 환기방식에 따라 최적단면을 선정하게 된다. 기존의 NATM 터널은 설계기준 및 다수의 사례를 바탕으로 국도 및 고속도로의 표준단면을 선정하고 이를 베이스로 각각의 프로젝트에 따라 최적단면을 선정하고 있다. 하지만 TBM 굴착방식에 의한 터널의 경우 국내 적용 사례가 드물어 표준단면의 선정이 어려운 단점이 있으므로 이를 보완하기 위해 토목분야 설계기준과 기존사례에 의한 최적단면을 대상으로 환기방식 및 방재성능 확보가 가능한지 기계분야의 설계요소를 분석하여 TBM 단면의 적정성을 검토하고자 한다.
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Fig. 1. Flowchart of optimal cross sectional selection in TBM road tunnels |
본 연구는 도로터널의 토목설계기준(시설한계)에 적합한 최적단면을 검토하여 선정하고,(Fig. 1, Step 1) 전산수치해석 기법과 환기 및 배연용량 검토 등의 기계분야의 설계요소에 따른 단면의 적정성 검토(Fig. 1, Step 2)를 통해 최종적인 도로터널의 표준단면을 선정하고자 Fig. 1과 같은 연구절차에 따라 연구를 수행하였다.
먼저 예상되는 설계변수로는 터널형식, 차로수, 도로형식에 따른 설계속도, 도로특성에 따른 운행차종 등 TBM 터널 단면의 시설한계에 영향을 미치는 요인(Fig. 1, Step 1)과 교통량, 환기방식, 제․배연 용량 등 환기 및 방재측면에서 단면의 요구사항에 대한 변화 요인(Fig. 1, Step 2)이 있을 것으로 예상된다. 토목분야의 설계기준에 적합한 최적단면 선정은 김현수, 김홍문(2012), “TBM 도로터널의 단면특성 및 하부공간 활용을 위한 유효면적 검토”에 제시된 단면 검토결과를 참고하여 검토하였다(Table 1, Fig. 2～3).
2.도로특성 및 시설한계를 고려한 TBM 최소단면 검토
2.1 전차종 통행 터널
일반적인 도로에서는 도로의 특성에 따라 국도, 고속국도 및 도시지역 고속국도로 분류하고 차로폭원을 국도 및 도시지역 고속국도는 3.5 m, 고속국도는 3.6 m를 고려하고 종류 환기방식 터널의 경우 제트팬 간 이격거리(0.3 D이상)를 고려한 시설한계를 설정하여 단면을 검토하였다(Fig. 2).
단면검토는 Fig. 2와 같이 일방교통의 2차로 및 3차로 터널에 대하여 한정하였으며, 고속국도의 경우 적용사례가 없는 3차로 횡류 환기방식의 경우는 검토대상에서 제외하였다.
2.2 소형차 전용 복층 터널
소형차 전용 TBM 터널의 경우 차량시설한계의 높이가 낮아 복층으로 구성하는 것이 효과적이므로 복층 터널 단면을 검토하는 것으로 가정하였으며 횡류 환기방식 터널의 경우 상층부는 상부에 덕트를 설치하고 하층부인 차로하부 여유공간을 덕트로 활용하는 것으로 변상훈 외(2011), “도심지 대심도 복층터널의 환기 및 방재계획”을 참고하였다(Fig. 3).
3.TBM 도로터널 환기․방재 측면의 적정성 검토
3.1 환기․방재 적정성 검토 조건 선정
도로터널의 환기 및 방재검토를 위해서는 터널의 종단경사, 환기방식, 환기량 검토, 제트팬 설치 위치 검토, 화재강도에 따른 제․배연 용량 등을 검토할 필요가 있다.
본 연구에서는 다음과 같은 검토조건을 통해 환기․방재 측면에서 TBM터널의 최적 단면을 검토하고자 한다.
1) 터널의 종단경사
도로터널의 종단경사는 0.5～3.0% 까지 다양하게 구성이
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(a) Longitudinal (jet fan + ventilation shaft) |
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(b) Longitudinal ventilation + Point extraction system |
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(c) Fully transverse ventilation system |
Fig. 4. Ventilation system of road tunnel |
하지만 종단경사에 따른 TBM 도로터널의 단면 선정 방법은 상세설계시 검토할 대상으로 판단되므로 본 연구에서는 TBM 장비의 굴착조건 및 일반적인 도로터널 경사를 고려하여 2%의 종단경사를 검토조건으로 가정한다.
2) 도로터널의 환기방식
도로터널의 환기방식은 기본적으로 Fig. 4와 같이 종류식, 종류+배연덕트 방식, 횡류식과 이러한 환기방식의 조합을 통한 조합환기방식 등이 있다.
기존의 반횡류 환기방식, 집중배기 방식 등은 최근 도로터널 설계시 지양되고 있는 추세이며 턴키 설계 등을 통해 새로운 개념의 환기방식을 다수 적용하고 있으나 고속도로터널의 경우 대다수 터널이 종류 환기방식을 적용하고 있다.
또한, 도심지 터널의 경우 터널내 오염물질의 배출영향 및 화재시 화재연기의 배연성능 증대를 위해 횡류 환기방식 등을 다수 검토하고 있는 추세이다.
본 연구에서는 종류와 횡류 두가지 모두에 대한 환기방식에 따른 최적 표준단면 선정방식을 검토하고자 한다.
횡류 환기방식의 경우 급배기 덕트를 상부에 설치하는 것을 전제조건으로 검토하며, 소형차 복층 터널의 경우 상부차로는 터널 상부공간, 하부차로는 터널 하부공간을 활용하는 것으로 검토한다.
또한, 장대터널의 경우 경사갱 및 수직갱을 통한 환기소를 설치하고 있으며 이러한 환기소는 설치부지 확보, 승객대피, 환기용량 등의 다각적인 검토를 통해 설치위치를 판단하고 있으나 본 연구에서는 도로설계 편람(2011, 국토해양부)의 터널특성별 권장배연방식에서 제시된 3 km 간격의 구간배연 시스템을 고려하여 3 km 이상 장대터널의 경우 3 km마다 환기소가 설치되는 것을 전제조건으로 검토하였다.
3) 환기량 산정
환기량 산정은 최신 도로터널 설계기준인 도로설계 편람(2011, 국토해양부)을 기준으로 산정하며 국도 및 고속도로의 도로 특성을 고려한 설계인자를 반영하여 산정한다. 선정된 환기량을 기준으로 토목분야에서 선정한 최소단면으로 환기 및 제연(배연)성능의 확보가 가능한지 여부에 대해 검토하여 필요시 단면을 증대시켜 나가며 최적 표준단면을 선정한다.
4) 제트팬 이격거리
종류 환기방식의 최적 표준단면 선정시 단면의 시설한계와 환기량 검토시 제트팬의 벽면이격거리는 한국도로공사(2012.03), “터널 단면 최적화 방안 검토” 자료를 참조하여 터널 상부에 설치되는 제트팬의 벽면 이격거리를 벽면으로부터 0.3 D 이격시키는 것을 표준으로 검토하였다.
5) 화재강도 및 배연량
도로터널의 방재계획시 화재발열량은 방재시설물 규모 산정에 중요한 요인 중 하나이다.
Table 2와 같이 화재강도는 화원의 차종에 따라 다르게 연구되어 있으며 터널의 특성이나 운행차종에 따라 다양하게 적용될 수 있으며 이는 종류 환기방식의 임계풍속 및 횡류 환기방식의 배연량 선정에 영향을 미치게 된다.
본 연구에서는 도로설계편람(국토해양부) 및 도로터널 방재시설 설치 및 관리지침(국토해양부)에서 제시하는 20 MW를 표준으로 검토하였다.
Table 2. HRR according to vehicle type | ||||
Vehicle type | Passenger car | Bus | HGV | HGV with DG |
Heat Release Rate (MW) | ~ 5 | 20 | 30 | 100 |
Smoke generation rate (m3/s) | 20 | 60 ~ 80 | 80 | 200 |
6) 임계풍속
종류 환기방식의 도로터널에서는 환기에 필요한 제트팬 용량과 화재시 제연을 위해 필요한 제트팬 용량을 검토하여 큰 값을 적용하고 있다. 이때 제연용 제트팬 산정을 위해서는 수치해석을 통해 임계풍속을 검토하여 제연용 제트팬을 산정해야 하므로 범용 수치해석 프로그램인 Fluent를 사용하여 단면별로 임계풍속을 산출하여 제연용량을 산정하였다.
7) 터널내 교통량
도로터널의 환기용량은 터널내 운행 교통량에 따라 크게 영향을 받는다. 교통량은 광범위한 교통수요예측을 통해 산정되며 도로의 성격 및 위치,
3.2 적용 교통량 분석
1) 국도
국도터널의 교통량 가정을 위해 경북혁신도시 우회도로, 세종시 연결민자도로, 테크노 폴리스 진입도로 건설공사 등 2차로 국도 터널의 유사과업의 교통량을 적용하였으며, 사례가 드믄 국도 3차로 터널의 교통량은 2차로 터널 교통량의 비율을 참고하여 가정 하였다.
그 결과 국도터널은 Table 3과 같이 2차로 42,000(대/일), 3차로 63,857(대/일)로 대형차 혼입율 13.51%를 적용하였다. 국도터널의 경우 3차로 설계사례가 적어 2차로 교통량에 일정비율을 증가시켜 추정하였다.
2) 고속국도
고속국도 2차로 터널은 포천화도 민간투자사업, 부산외곽순확 고속국도 건설사업중 2차로 터널의 교통량을 검토하여 산정하였으며 3차로 터널은 제2외곽순환고속도로 인천터널과 청라지하차도의 3차로 터널 교통량을 검토하여 산정하였다.
Table 4와 같이 2차로 교통량 55,230(대/일), 3차로 교통량 91,432(대/일)로 대형차 혼입율 16.35%를 적용하였다.
국도 터널 교통량 대비 차량 통행댓수가 많으며 대형차 혼입율이 다소 증가된 것으로 나타난다.
3) 도시지역 고속도로
도시지역의 고속도로 터널 교통량 산정을 위해 부산북항 재개발 사업 배후도로(지하차도) 건설공사, 은평새길 민자사업, 강변북로 지하화 건설공사, 김포양촌 에코하이웨이 건설공사 보고서를 참고하여 검토하여 Table 5와 같이 2차로 교통량 57,304(대/일), 3차로 교통량 73,406(대/일)으로 대형차 혼입율 6.10%를 적용하였다.
대형차 혼입율은 6.10%로 국도 및 고속국도대비 낮은 수준으로 적용하였다.
4) 도시지역 고속도로 소형차 전용 2차로
소형차 전용도로의 경우 사례가 드물어 최근 계획중인 동부간선 지하화 건설공사 및 제물포로 지하도로 건설공사의 계획중인 교통량을 참고하였다.
소형차 전용 2차로 터널의 경우 대형차 통행이 제한되어 있어 대형차 혼입율이 없으며 도심지의 혼잡한 통행을 해소하기 위한 목적으로 계획되는 성격으로 인해 차량 통행량은 높은 것으로 검토되었다.
위와 같이 설계사례검토를 통해 국도, 고속국도, 도시지역 고속도로의 차로수에 따른 교통량 및 대형차 혼입율을 추정하여 환기 및 방재성능 분석을 검토하고자 한다.
종류 환기방식의 화재연기 제연을 위해서 국도, 고속국도, 도시지역 고속도로 단면에 대해 임계풍속을 검토한 결과는 Fig. 9와 같다.
임계풍속의 분석은 한국도로공사(2006), “고속도로터널 임계풍속 산정을 위한 CFD 수행방법”, 국토해양부(2011). “도로설계편람”, 이승철 외(2012), “도로터널 임계풍속 산정에 격자개수 및 화원의 크기와 위치가 미치는 영향”을 참고하여 수행하였다.
소형차 전용도로터널의 경우 유용호, 권오상(2010), “대심도터널 화재 안전설계를 위한 승용차의 열방출률 및 화재전파 특성에 관한 연구” 결과 20 MW 미만으로 적용 가능하지만 관련 기준에 의한 20 MW 이상 적용 기준과 상충되어 모든 터널에 대해 20 MW 화재강도를 적용하여 검토하였다.
국도 2차로, 3차로 터널은 도시지역 고속도로의 단면과 동일한 단면을 적용하므로 임계풍속 또한 같은 것으로 가정하고 해석대상에서 제외하였다.
범용 전산유체 해석 프로그램인 Fluent를 활용하여 3차원 정상상태 수치해석을 통해 국도, 고속국도, 도시지역 고속도로의 경우 임계풍속이 2.5～2.8 m/s, 소형차전용 복층 도시지역 고속도로 터널의 경우 단면이 작아 1.70～2.25 m/s의 임계풍속이 나타났으며, 하층의 경우 터널 높이가 상층부보다 낮아 임계풍속 수치가 낮은 것으로 판단된다.
4. TBM 도로터널 최적단면 검토결과
4.1 종류 환기방식 적용 TBM 터널
TBM 도로터널의 환기시 필요한 환기량과 제연에 필요한 임계풍속 검토를 통해서 Table 7과 같이 터널의 내공 단면 증대 없이 환기 및 제연용 제트팬의 설치가 가능한 것으로 검토되었다.
이는 종류식 TBM 도로터널의 최적 단면 표준단면 선정시 시설한계에 의한 종류식 터널 단면의 결정을 통해 환기 및 제연용량에 의한 단면 결정 요인을 만족할 수 있는 것으로 판단된다.
4.2 횡류 환기방식 적용 TBM 터널
횡류 환기방식을 적용하는 도로터널에서는 단면의 결정시 급기를 위한 급기덕트와 화재연기의 배연을 위한 배기덕트 사이즈를 고려하여야 한다. Table 8은 시설한계를 고려한 토목분야 선정단면을 기준으로 산출된 환기량과 배연량을 고려하여 덕트면적이 부족한 경우 Case by Case의 검토를 통해 최적 표준단면을 산출한 결과이다.
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Fig. 10. Analysis of duct size (supply / extract duct) |
환기에 필요한 급배기 덕트의 면적은 화재시 화재연기의 배연을 위한 배연덕트 면적보다 작아 Critical 요인은 배연덕트 면적인 것으로 확인되었다. 따라서 TBM 직경을 0.2 m 단위로 증대시켜 가며 최적 단면을 검토하였다. TBM 직경의 증대시 덕트면적만 증대되는 것이 아니라 덕트면적과 함께 차도단면적이 증가되어 배연에 필요한 덕트면적 또한 증대되게 된다.
검토결과 상대적으로 덕트단면이 작게 확보되는 2차로 횡류식 터널의 경우 토목분야 선정단면만으로 내공단면이 부족하여 0.4～0.6 m의 TBM 직경 확보가 추가로 필요한 것으로 검토되었다.
5.최적단면 선정을 위한 결과 적용 방안
5.1 횡류 환기방식에 따른 덕트면적 특성
TBM 도로터널 최적 단면 선정시 종류식 터널의 경우 환기성능에 크게 영향을 받지 않으나 횡류 환기방식의 경우 토목분야와 환기 및 방재분야의 단면 검토결과를 모두 반영할 수 있도록 상호간의 인터페이스를 통해 단면의 선정이 이뤄져야 한다.
TBM 직경의 변경시 차도단면과 덕트면적이 동시에 변경되므로 최적 단면 선정시 이를 반영할 수 있는 덕트면적 검토 방법이 수반되어야 하지만 토목분야와 환기․방재 분야의 검토가 동시에 수행되기 어려운 상황이 발생되어 본 연구결과는 다음과 같은 방법론을 제시하고자 한다.
국도, 고속국도 및 도시지역 고속도로와 같은 일반적인 터널에서는 필요덕트 면적이 0.5～0.9:1 (급기덕트:배기덕트) 정도로 배기덕트와 급기덕트를 동일한 사이즈로 산정하는 것으로 검토되었으며 도시지역 소형차 전용 복층 터널의 경우 환기시에만 이용되는 급기덕트 사이즈가 작으므로 덕트 면적이 0.38～0.4:1 (급기덕트:배기덕트) 정도로 0.5:1로 검토되었다.
5.2 횡류식 TBM 터널 덕트사이즈 최적화
횡류식 TBM 터널의 최적단면 구성시 모든 경우에 대해 환기계산 등을 수행하여 적정 단면을 산출하기 어려우므로 상부덕트를 급배기 구분 없이 산정할 수 있는 방안이 필요하다. 따라서, 본 연구를 통해 국도, 고속국도 및 도시지역 고속도로의 경우 배연을 위한 배기덕트 면적의 2배, 소형차 전용도로의 경우 배연을 위한 배기덕트 면적의 1.5배의 덕트공간 확보를 통해 최적단면을 선정하는 방법을 제안하고자 한다.
1) 배연량 산출 방법 (대배기구 방식)
횡류 환기방식은 일반적으로 대배기구 배연방식을 적용하여 대배기구 배연방식의 배연량 산출 방법은 식 (1)과 같다.
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Fig. 11. Schematic cross-section for smoke extraction flow rate calculation |
(1)
여기서,
:터널 단면 [m2]
:단면의 배출기류속도 [m/s](대배기구 방식의 경우 1.5 m/s)
:화재강도에 따른 연기발생량 [m3/s]
배연량은 터널 단면(Ar : m2) 단면의 배출기류속도(Vr : 대배기구 방식의 경우 1.5 m/s), 화재강도에 따른 연기발생량(Qs : 20 MW의 경우 80 m3/s)에 의한 관계식으로 정의된다.
Table 10. HRR and smoke generation rate according to Vehicle | ||||
Vehicle type | Passenger Car | Bus | HGV | HGV with DG |
Heat Release Rate (MW) | ~ 5 | 20 | 30 | 100 |
Smoke generation rate (m3/s) | 20 | 60 ~ 80 | 80 | 200 |
이러한 방법으로 Table 9의 화재강도에 따른 연기발생량 변화를 적용하여 화재강도에 따라 표준단면의 선정도 가능할 것으로 판단된다.
2) 횡류식 TBM 최적단면 선정시 덕트면적 선정(안)
본 연구에서는 횡류식 도로터널의 급배기 덕트면적 산출시 Table 11과 같이 터널 특성에 따라 배연량을 고려한 배연덕트 면적의 2배와 1.5배로 급배기 덕트면적을 산출하는 경우 횡류식 TBM 터널의 상부 덕트면적이 반영된 최적 단면을 산출할 수 있을 것으로 제안한다.
/ 13 m/s) ✕ 2 times
/ 13 m/s) ✕ 1.5 times3장에서 환기소간 간격을 약 3 km로 가정하여 검토하는 경우 덕트내 압력손실을 고려하여 Table 11과 같이 배연덕트내 적정 풍속을 13 m/s로 적용하였다.
급기와 배기덕트를 포함한 면적을 산출한 것이므로 상세설계시 급배기 덕트 구분을 위한 격벽 위치조정을 통해 급배기 각각의 적정 면적의 활용이 가능할 것으로 기대된다.
6. 결 론
TBM 도로터널 계획시 노선의 특성에 따른 최적 표준단면의 선정을 위해 토목분야의 설계기준 및 시설한계를 고려한 단면선정기준을 만족하면서 환기 방식에 따른 환기 및 배연 등의 기계적인 특성을 만족할 수 있도록 전산수치해석과 환기 및 배연량 검토를 통해 최적 단면 선정 방법을 도출 하였다. 연구에서 얻어진 결과는 다음과 같다.
1.종류 환기방식의 경우 TBM 터널 특성상 원형으로 계획되어야 하므로 제트팬 설치공간을 만족하는 시설한계 계획시 평상시 환기 및 비상시 방재용 설비계획에 문제가 없는 것으로 분석되었다.
2.또한 3차로 TBM 터널의 경우 상부 여유공간이 충분하여 시설한계를 만족하도록 단면을 계획하는 경우 본 연구에서 적용된 ∅1,250 제트팬 보다 큰 구경의 ∅1,530 제트팬도 적용이 가능하므로 상세설계시 필요한 제트팬 수량에 따른 유지관리 비용, 설치비, 간선전력비 등을 포함한 경제성 분석을 통해 최적의 설계를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
3.횡류 환기방식을 적용하는 TBM 터널의 경우 3차로 터널에서는 상대적으로 충분한 덕트면적의 확보가 가능하지만 2차로 터널의 경우와 복층터널의 경우 토목분야의 설계기준 및 시설한계를 고려한 단면선정기준을 만족하는 단면으로는 상부 급배기 덕트면적이 부족하여 단면증대가 필요한 것으로 분석되었다.
4.횡류 환기방식을 적용하는 2차로 TBM 도로터널의 경우 터널 직경이 0.4～0.6 m 정도 증대되어야 평상시 환기 및 화재시 배연을 위한 풍도의 면적이 확보될 수 있는 것으로 검토되었다.
5.급기덕트와 배기덕트의 면적 비율은 단층 터널의 경우 0.4～0.9:1(급기덕트 :배기덕트), 소형차 복층 터널의 경우 0.38～0.4:1(급기덕트 :배기덕트)로 배기덕트의 면적이 크게 필요한 것으로 검토되었다.
6.TBM 도로터널의 최적 표준단면 선정을 위해서는 차도 내공단면적에 의해 산출되는 배연량을 고려한 배기풍도 단면적을 기준으로 국도/고속국도/도시지역 고속국도는 배기풍도 단면적의 2배를 확보하면 격벽으로 분할하여 횡류 환기방식의 급배기 덕트로 활용 가능하며, 소형차 전용 복층터널의 경우 배기풍도 단면적의 1.5배를 확보하면 급배기 덕트로 활용할 수 있는 것으로 검토되었다.
