1.서론

국내 도로터널중 양방향 터널은 극히 제한적으로 건설되며, 대부분의 경우 안전주행을 위해 쌍굴 (일방향)터널로 계획되고 있다. 일방향 터널에 비해 양방향 터널은 주로 산악지형에 많이 건설되는 경향을 보이며, 양방향 터널의 선택은 초기의 낮은 노선이용률과 상대적으로 낮은 건설비/유지관리비 등과 같은 경제적 요인들에 기인한다. 양방향 터널은 입지적 여건 때문에 비교적 높은 종단경사와 향후 쌍굴터널로 전환되기 전까지는 화재와 같은 비상상황발생 등과 같은 안전상의 많은 문제점을 지니고 있으며, 상대적으로 높은 사고율 경향을 보이고 있다.

2002년 10월 이전까지 국내 양방향 도로터널의 설계경향은 교통용량에 따른 환기설비를 주로 계획하여 왔으며, PIARC 방식에 따라 전 주행속도 (10～80 km/h)를 분석대상으로 하고 있다. 그러나, 소요환기량 측면에서는 교통량의 중방향비율을 고려하면서도 제트팬과 같은 환기용량을 결정하기 위한 환기력 분석시에는 방향별로 동일한 차속을 기준으로 분석하고 있다. 이러한 분석법은 터널내 교통환기력의 영향을 최소화하는 문제점을 내포하며, 실제 양방향 터널에서 발생하는 다양한 조건들을 반영할 수 없다 (김효규 등, 2004).

본 연구에서는 국내 양방향 터널의 환기설계시, 동일차속 (Equal vehicular speed, E.V.S)과 차등차속 (Unequal vehicular speed, U.V.S) 적용시의 환기설비 규모의 차이를 비교 분석함을 목적으로 한다.

2.양방향 터널의 환기특성 분석

2.1 대상터널의 개요

국내 환기설계기준은 크게 한국도로공사 (2002)의 기준 (이하 ‘도공기준’)과 도로설계편람의 기준 (이하 ‘편람기준’)으로 요약된다. 양방향 터널과 관련하여 ‘도공기준’은 방향별로 동일한 차속으로 진행할 때를 기준으로 환기설비 규모를 결정하고 있으며, 반면 ‘편람기준’은 1단계의 차등차속을 적용할 수 있게 되어있다 (건교부, 1999).

본 분석은 최근 설계된 2건의 양방향 도로터널의 제원을 대상으로 수행하였으며 (부산지방국토관리청, 2003, 전라남도, 2004), 터널제원은 표 1과 같다. 단, 비교분석을 위해 교통량은 동일하게 적용하였다.

2.2 소광계수 기준에 따른 소요환기량의 변화

매연에 대한 ‘소광계수 허용기준’은 고속주행시를 대상으로 적용하나, 상대적으로 저속주행시는 시거장애에 별문제가 되지 않아 이를 고려하지 않거나 터널내 폐쇄조건 (Klim=0.012 [m^-1]) 수준으로만 규제하고 있다. 이때, 방향별로 주행차속이 다를 경우는 고속주행시의 허용기준이 저속 주행차량에도 적용되어야 터널내 고속차량에 의한 안전을 확보할 수 있다. 따라서 향후 양방향 터널의 소요환기량의 산정시 이와 같은 영향성에 대해서도 충분히 검토되어야 할 것으로 보인다. 소광계수 허용기준은 소요환기량 산정에 직접적인 영향을 미치는 변수이며, 표 2는 방향별 차속별로 동일차속에 대한 상대적인 비율을 나타내고 있다.

2.3 교통용량과 중방향비율

일반적으로 터널환기에 적용되는 교통량은 설계교통용량과 추정교통량으로 구분된다. 그러나 추정교통량에 의한 분석법은 교통공학적 특성치 (K, D, PHF 값 등) 자료에 영향을 크게 받으며, 서비스수준이 C이상인 터널에 적용하고 있어, 주말이나 연휴 등의 교통정체시와 비상시의 지체교통량 등과는 비교적 많은 차이를 보이고 있다. 특히 년중 30번째의 교통량에 대한 통계값 (K30)을 고려하고 있어 이런 교통량에 따른 분석법은 년중 30번 이내에서 계획환기설비의 용량을 초과할 위험요소를 지니고 있다. 또한 국내 교통공학적 정수로 해당 터널의 지체정도나 빈도를 파악할 기준이 실제로는 부족한 편이므로 본 분석에서는 최대 교통용량을 중심으로 분석하고자 한다.

지금까지 교통류의 흐름을 방향별로 배분하는 방법은 아직 명확히 정립되지 않고 있다. 즉, 종전의 동일차속 적용의 경우에 중방향비율 60:40%의 적용은 몇가지 문제점을 내포하고 있는데, 이는 동일차속에 대한 방향별 (혹은 차선별) 터널내 차량대수를 달리 적용할 수 있다는 것으로 교통밀도식의 적용자체가 문제시 될 수 있기 때문이다. 또한 중방향의 교통량이 50%를 넘을 경우는 차선당 최대가능교통용량(Mmax)을 초과할 수 있기 때문이며, 또한 중방향을 Mmax의 100%로 할 경우 반대방향은 해당 구성비만큼 낮아져야 하는데, 이는 반대방향의 교통환기력이 최대교통량이 아닌 경우를 나타내기 때문이다. 일본의 경우도, 이와 같은 이유 등으로 과거에는 중방향교통량율을 약 60%까지 보다가 최근에는 50: 50%를 표준으로 하여 대면통행시 환기계획을 수행하고 있는 추세다 (일본도로공단, 1997).

그러나 차등차속을 적용하게 되면, 중방향비율을 시간교통량 [대/h]에 적용하여 방향별로 주행교통량을 나누는 것은 의미가 없어지므로, 이때는 50:50%의 교통용량을 적용하고 터널내 차량대수비를 중방향계수 (D)값 범위내로 한정할 필요성이 제기된다. 이는 일반적인 D값 범위가 0.5～0.6임을 감안하면, 차등차속 적용으로 인한 시간교통량 [대/h]의 비율을 D값 범위로 한정하는 것은 차등차속 적용의 검토범위를 폭넓게 형성할 것으로 보이며, 터널내 차량대수비 (밀도비)를 방향별 비율로 고려하는 것은 동일차속 주변의 근접한 속도차이를 잘 반영할 것으로 보인다. 이와 같은 이유는 차량의 주행속도별 시간교통량의 편차비율이 터널내 차량대수의 편차비율보다 매우 낮게 나타나, 차등차속 차이의 단계를 너무 넓게 형성시키기 때문이다.

따라서 본 연구에서는 터널내 교통 (용)량의 중방향비는 특별히 고려하지 않고 50:50%인 교통 (용)량비율을 적용하였다. 또한 차등차속 적용에 의한 터널내 교통량비를 중방향계수 (D)값이 넘지 않도록 하는 범위에서 차등차속차이의 단계를 설정하였다.

2.4 차등차속 적용에 의한 환기규모 분석

이상의 조건으로부터 Case 별 터널내 교통량, 소요환기량 그리고 환기규모 (제트팬 대수)를 계산하였다. D값이 0.6일 경우 교통방향에 따라 기준방향의 최대 교통량비율은 0.4～0.6 이내로 선정되며, 기타조건 (교통밀도식, 자연풍 조건 등)은 현 환기설계기준을 따랐다 (한국도로공사, 2002). 참고적으로 제트팬의 소요대수는 처리풍속 (Qreq/Ar)을 기준 혹은 반대방향으로 환기시키기 위한 방향별 대수중 큰 값을 적용하였는데, 이는 교통량의 갑작스러운 변동에 따른 제트팬의 역회전 제어문제와 특정방향으로의 출구부 오염물질 배출제어를 고려한 것이다.

2.4.1 터널내 차량대수, 소요환기량 그리고 환기팬 대수 분포

터널내 차량대수는 방향별로 좌우대칭인 분포를 보이며, 차속이 높을수록 터널내 밀도는 낮아지는 모습을 나타내고 있다. 반면, 소요환기량은 완전한 대칭이 형성되지 않고 있는데, 이는 방향별 종단경사에 영향 및 차속별 소광계수값 (매연의 허용기준)의 적용이 다르기 때문인 것으로 분석된다.

또한 터널내 제트팬 대수는 방향별 처리풍속 (Qreq/ Ar)의 제어방향에 따라 다르게 나타나며, 이는 방향별 소요환기량 분포가 서로 다른 상황에서 터널내에 작용하는 각종 환기력 (교통환기력, 팬환기력 등)에 의한 기류제어방향에 대하여 순풍 혹은 역풍으로 환기팬을 가동한 것으로 고려하였기 때문이다. 이와같은 이유는 교통변환에 따른 제트팬의 빈번한 역전이 환기설비에 무리를 줄 수 있기 때문이며, 최악 조건의 환기설비 용량의 결정은 주교통방향으로 자연풍이 불고 환기설비가 반대로 작동하는 경우일 것이다.

표 3의 제트팬 대수를 살펴보면, 일반적인 환기설계시 적용되는 최대 환기대수는 동일차속이 아닌 경우에 나타나는 것을 알 수 있으며, 동일차속 적용시 보다 높은 환기대수를 나타내는 것으로 보인다. 또한 표 4는 동일차속 및 차등차속 적용에 따른 소요환기량 및 제트팬 대수의 증감현황을 나타내고 있다. 각 Case 별로 동일차속의 적용시 최대환기규모와 비교할 때, D값 이내에서 차등차속을 적용할 경우, 소요환기량은 약 6%의 증가되었으나, 환기기 규모는 Case 1이 67%, Case 2가 31% 정도 증가되었다. 또한 차등차속을 전 차속 (10～80 km/h, 최대 7단계)에 걸쳐 적용할 경우는 소요환기량은 33～45% 정도 증가하고 있으며, 제트팬 대수는 2.0～3.3배까지 증가하는 것으로 나타나고 있다. 대체적으로 차등차속 적용시, 차속차이 단계로 보면, Case 1, 2 모두 약 2단계 (±20 km/h 이내) 정도의 차등차속을 적용한 결과와 비슷한 분포를 보이는 것으로 분석되었다.

2.4.2 현 설계기준과의 비교검토

현 설계기준과 비교해 볼 때, D값을 적용한 차등차속 적용은 ‘도공기준’ 및 ‘편람기준’보다 높게 나타나고 있으며, 동일차속만을 고려하고 있는 ‘도공기준’은 양방향 통행에 따른 교통류의 특성을 잘 반영하고 있지 못한 것으로 분석되며, ‘편람기준’은 1단계의 차등차속을 적용하고 있으나 양방향 교통류 특성치 자료의 적용이 미흡하여 차등차속의 단계적용에 한계가 있는 것으로 판단된다. 또한 전체 속도를 고려한 차등차속을 적용하는 것은 과다한 환기설계 노력이 필요하므로, 적정한 차속차이의 단계 설정에 관한 검토가 요구된다.

본 연구에서는 교통공학적 정수 D값을 이용하여 양방향 대면통행시 차등차속의 단계를 적용하는 방법에 대하여 검토하였다. 검토결과 D값이 0.6일 경우 차등차속의 단계는 편람기준의 1단계 차등차속 적용시 보다도 1～2단계 높은 차등차속의 적용범위를 나타낸 것으로 분석되었다.

그림 1은 일반적인 양방향 터널의 교통밀도 (Mmax= 1,600 pc/h.lane)에 대한 중방향비율을 나타내고 있는데, D값이 0.53 이하일 경우는 기존의 동일차속의 적용과 같은 범위를 나타내고 있으며, 0.55 일 경우는 40 km/h 이상에서 1단계 차등차속의 범위가 형성되고 있다. 또한 0.59～0.60일 경우는 저속시 (40～50 km/h 이하)에는 1단계 차등차속의 범위가 형성되며, 고속시 (50～60 km/h 이상)에서는 부분적으로 2단계 차등차속이 형성되고 있음을 알 수 있다.

현 환기설계기준과 비교해 볼 때, D값이 0.53이하일 경우에 동일차속이 형성되어 ‘도공기준’과 잘 일치하고 있으며, D값이 0.53～0.57일 경우는 30 km/h 이상에서 1단계 차등차속이 형성되어 ‘편람기준’과 일치하고 있다. 그러나 D값이 0.58 이상일 경우는 60 km/h 이상에서 2단계의 차등차속이 형성되어 현 환기설계기준보다 높은 단계의 차등차속에 대한 검토가 요구되고 있다. 따라서 일반적인 양방향 터널의 D값을 0.6이라고 가정할 경우는 저속시 (30 km/h 이하)에서는 1단계 차등차속의 적용이, 40 km/h 이상에서는 2단계 차등차속을 적용하는 것이 최대교통량 범위내에서 중방향비를 적절히 고려하면서 차등차속을 적용할 수 있는 범위로 분석된다.

2.5 양방향 소요환기량 특성도 (Qreq CM) 분석

양방향터널의 교통량 특성, 중방향비율, 차등차속 적용 등에 따른 소요환기량 변화 및 환기대수의 변화를 분석한 결과, 소요환기량 및 제트팬 대수는 ‘도공기준’ < ‘편람기준’ < ‘D값 차등차속법’ 순으로 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 

다음은 양방향 터널에 대한 환기특성을 분석하기 위하여 이전 연구결과 (김효규 외, 2003)를 바탕으로 터널제원과의 상관관계를 살펴보았다. 대상터널은 일반적인 2차로 양방향 도로터널을 대상으로 하였으며, 일반국도상의 단면적 (Case 3; Ar=64 m2, Dh=8.134 m)인 경우와 고속도로상의 단면적 (Case 4; Ar=75 m2, Dh= 8.371 m)인 터널에 대하여 표 1의 교통량을 적용한 Con-tour map을 작성해 보았다. 단, 평균계획고는 200 m, 외부 자연풍은 -1.5 m/s 역풍 (기류제어방향과 반대방향) 그리고 D값은 0.6으로 가정하였다.

그림 2의 (a)에서 소요환기량 (Case 3)은 대체적으로 비슷한 분포를 보이나, 터널연장이 증가할수록 종단경사 0.5～0.7% 부근에서 동일차속 적용과 차등차속 적용시의 소요환기량 차이가 크게 발생하고 있다. 이는 ‘도공기준’ (동일차속)으로 설계한 경사 0.5%를 갖는 양방향 터널은 ‘편람기준’ (차등차속)을 적용할 경우 동일한 내공단면적으로 환기처리가 가능한 터널연장이 짧아짐을 의미한다. 따라서 연장이 긴 양방향 터널의 소요환기량의 계산법은 신중하게 적용될 필요성이 제기된다. 또한 (b)에서는 각각의 계산법에 따른 제트팬 (d1030 mm) 대수를 나타내고 있는데, 2대를 병렬 설치할 경우 교통용량에 대한 동일차속 적용시는 연장 1.5 km 이내까지, 차등차속 적용시는 연장 1.0 km 이내까지 제트팬 환기방식의 적용이 가능한 것으로 분석된다.

반면, 내공단면적 75m2 (Case 4)에 대한 환기특성 분석결과는 그림 3과 같다. 그림 2의 (a)나 그림 3의 (a)는 동일한 소요환기량 특성을 나타내고 있는데, 이는 소요환기량이 터널의 내공단면적과 무관함을 의미하기 때문이다. 반면 제트팬 설치특성은 터널내 소요승압력에 기준하므로 터널 내공단면적이 클수록 제트팬에 의한 환기가능 연장은 더욱 크게 나타나고 있다.

그림 2의 (b) 및 그림 3의 (b)는 방향별로 제트팬을 가동하는 경우의 최대 제트팬 대수를 나타내고 있다. 이는 제트팬의 빈번한 역회전 제어를 고려하지 않은 대수로, 주 교통방향에 관계없이 방향별 역풍을 고려하여 소요환기량을 처리하기 위한 방향별 대수 중 최대값을 나타내고 있다. 그러나 방향별 환기기류의 방향성을 고려하여 제트팬을 운전할 경우, 이보다는 적은 대수의 제트팬으로도 환기계획이 가능할 수 있는데 이는 제트팬의 역회전을 적절히 고려한 대수가 될 것이다. 그러나 현재 국내나 일본의 양방향터널에 대한 환기설계 경향은, 방향별로 교통환기력을 유효하게 이용할 수 없고, 자연풍의 작용방향이 단순하지 않기 때문에, 제트팬의 역전운전을 할 경우가 발생할 수 있으나 이는 터널내 공기관성력 및 전동기의 기계적인 요인 등으로 인해, 빈번한 역회전 운전이 바람직하지 못한 것으로 알려져 있다.

2.6 정․역회전 제어시 환기특성 분석

향후 팬 성능향상과 환기설비의 제어기술 향상에 따른 제트팬의 효율적인 정․역회전 제어가 가능하다는 가정하에서의 환기특성 분석결과는 다음과 같다.

그림 4는 제트팬의 빈번한 역회전 제어를 고려하여 방향별로 유리한 방향으로 환기할 경우의 제트팬 대수(JFD_M)를 나타내고 있다. (a)의 경우, 터널연장 2 km 부근에서는 환기제어방식에 따라 10대 정도의 제트팬이 감소되는 것으로 나타나고 있다. (b)의 경우, D값을 고려한 차등차속 적용시를 기준으로 제트팬의 역전제어를 허용하면서 제트팬 대수를 결정하는 것은 일반적인 동일차속 적용시의 환기대수와 비슷한 경향을 보이는 것으로 나타나고 있다. 그러나 터널 연장이 길어질수록 종단경사 0.5～0.7% 부근에서 차등차속과 동일차속 적용에 의한 제트팬 대수의 차이가 크게 나타나고 있다. 실제 (b)에서처럼, 정․역회전을 고려하더라도 장대터널에 있어 차등차속의 적용은 동일차속 적용시에 비하여 상대적으로 많은 제트팬 대수를 요구하고 있다. 이러한 원인은 터널연장의 증가에 따른 처리풍속 (Qreq/Ar)의 증가로 인해 큰 영향을 받은 것으로 추정되며, 교통환기력 및 기타 환기력의 작용방향이 단순히 결정될 수 없음을 의미한다. 즉, 터널내 연장의 증가로 인한 환기대상 오염물질의 양의 증가에 따른 처리풍속 (Qreq/Ar)의 증가, 방향별 차등차속의 차이, 그리고 터널연장의 증가 및 차속차이에 따른 터널내 점유 차량대수의 차이 등이 터널내 각종 환기력의 크기결정에 복합적으로 작용하고 있기 때문인 것으로 판단된다.

Case 4의 경우인 그림 4의 (b)에 대하여, 종단경사 ±0.5%를 기준하여 좀더 세부적으로 분석해 보았으며, 표 5 및 그림 5와 같다.

표 5는 정․역회전 제어를 고려하면서 동일차속 및 차등차속 적용시, 최소 환기방향에 따른 제트팬 대수를 나타내고 있다. 본 분석은 그림 4의 (b)를 상세 분석한 것으로 종단경사 ±0.5% 인 경우를 대상으로 하였다. 일반적인 경향으로 결정하기는 어렵지만, 연장이 2 km 이하일 경우는 동일차속 적용시 보다는 차등차속 적용시 환기대수가 적게 나타나고 있다 (단, 차속 40 km/h 이상시). 그러나 3 km 이상으로 터널연장이 증가할수록 차등차속 적용에 의한 환기대수가 크게 나타나는 경향을 보여준다. 예를 들어 차속 50 km/h를 기준으로 동일차속과 1단계 차등차속을 적용한 경우를 살펴보면, 터널연장이 1～2 km 이내에서는 동일차속 적용에 의한 환기대수가 높게 나타나고 있으며, 3～4 km에서는 전후 1단계 차등차속차 이내의 범위로 나타나며, 5 km에서는 전후 각 1단계 차등차속 적용시 보다 오히려 낮게 나타나고 있다. 표안의 음수 (-)는 자연환기가 됨을 의미한다.

그림 5는 방향별 차량의 주행속도가 50:50 km/h 와 50:60 km/h 일 때, 동일차속 및 차등차속 적용시의 제트팬의 소요대수 및 환기력의 크기를 나타내고 있다. 실제로 연장이 짧은 경우는 제트팬의 정․역회전을 고려할 경우 차등차속 적용시가 동일차속 적용시 보다도 낮은 제트팬 대수를 나타내나, 연장이 길어지면 차등차속 적용시의 제트팬 소요대수가 증가하고 있다 (그림 5의 (a) 참조). 그러나 연장이 짧은 경우는 차등차속을 적용하더라도 D값 이내의 동일차속 (50:50 km/h)을 포함하게 되므로, 실제 설치되어야 할 제트팬 대수는 동일차속에 의한 대수를 포함하여야 할 것이다.

그림 5의 (b)에 의하면, 터널연장이 증가할수록 고속주행시 방향 (60 km/h, 환기되는 방향)의 교통환기력의 변화율 (dPveh+)은 미미하게 증가하는 것으로 보이는 반면, 상대적으로 저속주행시 방향 (50 km/h, 환기되는 반대방향)의 교통환기력의 변화율 (dPveh-)은 크게 증가하고 있다. 이는 차등차속차에 따른 터널내 차량대수의 증가로 환기저항적인 요인으로 작용한 것으로 분석된다. 또한 차등차속 적용에 따른 소요환기량의 증가로 처리풍속이 증가하며, 이에 따른 환기방향의 역방향으로 작용하는 환기저항력의 변화량 (dPres)도 상당히 크게 증가되는 것으로 분석된다. 그러나 이러한 경향은 각종 조건 (터널내 교통량, 주행차속차 및 처리풍속 등)에 따라서 달라질 수 있다.

한편, 그림 4의 (a)의 실선 JFD는 빈번한 역회전 제어를 고려하지 않은 경우의 최대 제트팬 대수를 나타내며, 그림 3의 (b)에서의 점선 D Factor와 같다. 또한 그림 4의 (a)의 점선 JFD_M은 빈번한 역회전 제어를 고려한 경우의 최소 제트팬 대수를 나타내며, 그림 4의 (b)에서의 일점점선 JFD_M과 같은 등고선도를 나타내고 있다. 그림 4 의 (b)의 실선 JF0은 역회전 제어시의 동일차속 적용결과이며, (b)의 일점점선 JFD_M은 역회전 제어시 D값을 고려한 차등차속 적용에 따른 제트팬 대수이다.  그림 5의 사용기호는 그림내에서 정의하였으며, dPveh+는 차등차속 적용에 의한 교통환기력에서 동일차속 적용에 의한 교통환기력을 뺀 값으로, 환기되는 방향으로의 환기제어상 최소 제트팬 대수를 요구하는 교통환기력의 증가분을 의미한다. 반면 dPveh-는 환기저항적 요인으로 작용하는 교통환기력의 증가율을 의미한다. 또한 dPo 는 전체 환기력에 대한 소요승압력의 증가율을 나타내고 있다.

2.7 결과고찰 및 향후과제

2.7.1 결과고찰

그림 2 및 3에서 소요환기량 특성도 (Qreq CM)는 터널의 내공단면적 대비 상당한 여유를 갖고 있는 것으로 분석되지만, 터널내 교통환기력을 기대하기 어려워 소요 제트팬 승압력이 상당히 크게 요구되는 것을 알 수 있다. 이는 제트팬 설치대수의 초과로 제트팬 방식을 적용하지 못하고 있는 경우를 나타내며, 이 경우에는 오염물질의 배출 또는 희석 목적의 환기방식 보다는 터널내 승압력을 상승시킬 수 있는 방식의 채택이 적극 요구된다.

또한 그림 4는 제트팬의 성능이 향상되어 교통상황에 따른 정․역회전이 빈번히 제어될 수 있다고 가정할 경우, 환기용 제트팬의 설치대수는 미제어시 보다 다소 감소될 것으로 보인다. 특히 그림 4의 (a)의 경우, 제트팬의 정․역회전 제어의 적용여부에 따라 제트팬의 설치대수가 변동적인데, 대략 연장 2 km (종단경사 0.5%)정도까지 제트팬 환기방식의 적용이 가능한 것으로 분석된다. 이는 국외 EGNATIA 프로젝트 (그리스)의 환기설계기준시 적용한 양방향 터널에서의 제트팬 환기방식이 적용 가능한 한계연장 (2 km 이내)과도 동일한 경향을 나타내고 있다 (N.Legge 외, 1999).

다음으로 표 5 및 그림 5는 양방향 터널의 환기특성을 나타내고 있으며, 장대터널에서는 동일차속 보다 차등차속 적용에 의한 소요 제트팬 대수가 더욱 크게 나타남을 알 수 있다. 이러한 D값을 고려한 차등차속의 적용은 기존의 동일차속 적용방법에서 고려할 수 없었던 다양한 환기력을 검토할 수 있으며, 특히 장대터널에는 더욱 큰 영향을 미칠 수 있으므로 이에 대한 고려가 설계단계에서 검토되어야 할 것으로 보인다.

이상의 결과고찰을 통해 양방향 터널의 환기계획은 2 km 까지는 제트팬 환기방식의 적용이 가능한 것으로 분석되나, 2 km 이상의 장대터널이 되면 교통환기력의 유용한 이용이 곤란하기 때문에 (반)횡류식과 같은 환기방식의 적용이 적합할 것으로 사료된다.

2.7.2 향후과제

현재의 환기설계기준은 방향별로 동일한 차속의 주행조건만을 고려하고 있지만, 실제 터널내 교통류 특성과는 상당한 차이를 보이고 있으며, 또한 교통량 분배에 따른 차등차속 차이의 적용단계에 관한 기준도 명확하지 않다. 따라서 양방향 터널에 차등차속을 적용하기 위해서는 적절한 방향별 차등차속차이의 단계적용이 검토되어야 할 것으로 보인다.

더욱이, 일방향 교통류나 양방향 교통류에 있어 지체정도를 분석할 교통공학적 지수가 부족한 상황에서 지체빈도를 고려한 추정교통량 (PDDHV 혹은 PDHV)의 적용에는 많은 어려움이 있으며, 이러한 추정교통량은 특정 설계속도에서의 ‘첨두시 (중방향)설계시간 (추정)교통량’을 의미하므로, 다른 주행속도때의 교통량을 추정하기란 상당한 어려움이 있다. 이것은 국내 터널환기설계 기준이 일본방식이 아닌 PIARC 방식의 적용을 원칙으로 하기 때문이다. 실제 추정교통량을 적용할 경우, 방향별 교통량 구성비를 배분하는 문제는 도로의 교통용량과는 무관한 차원에서 결정되어지므로, 방향별 중방향비율을 적용하기가 곤란한 실정이다. 즉, 경우에 따라선 추정교통량을 적용할 경우, 전체 차등차속차에 대한 모든 검토가 수행되어야 할 것으로 보인다.

또한 최근 문제시 되고 있는 ① 지체시의 환기문제 및 ② 화재시 배연문제, 그리고 ③ 단계건설문제 등과 관련하여 추정교통량 기법을 적용하기 위한 기초인자에 대한 연구가 미흡한 실정이다. 따라서 추정교통량의 적용은 신중하게 접근되어야 하며, 이는 현재의 교통밀도식과 아무런 관련이 없기 때문에, 교통량의 배분문제, 방향별 서로 다른 차속의 적용문제, 특히 중방향 교통환기력에 따른 자연풍 적용의 문제 등에 대한 적정 기준 연구가 향후 진행되어야 할 것으로 보인다.

3.결론

양방향 도로터널에서의 동일차속 및 차등차속 적용시의 적정 환기규모를 비교분석한 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

1. 차등차속 적용에 의한 방향별 ‘지체+고속’ 주행시 터널내 매연의 허용 (소광계수)기준은 고속주행시를 기준으로 적용되어야 하며, 동일차속 적용시 보다 허용기준 비율은 2배 이상 높아질 수 있다.

2. 교통용량에 대한 중방향 비율은 중방향계수 (D)값 이내로 제한할 필요가 있으며, 교통밀도식을 통해 산출된 차속별 교통량의 적용은 시간교통량 [대/h]보다는 터널내 차량밀도비 [대/Tunnel]로 중방향 비율을 적용하는 것이 다양한 차속차를 적절히 반영하는 것으로 판단된다.

3. 동일차속 적용에 의한 최대 환기대수와 비교할 경우, D 값을 고려한 차등차속 적용은 소요환기량은 약 6%, 제트팬 대수는 Case 1이 67%, Case 2가 31% 정도 증가한 것으로 나타났다.

4. 양방향 소요환기량 특성도 분석결과, Case 3에서 터널 연장이 증가할 경우 종단경사 0.5～0.7% 부근이 동일차속 및 차등차속 적용에 의한 환기량 변화가 가장 민감한 것으로 나타났으며, Case 4에 대한 제트팬의 역회전 제어를 고려할 경우, 종단경사 0.5% 부근에서 미제어시보다 제트팬이 10대 정도 낮게 나타나, 최대 2 km 까지 환기가 가능한 것으로 분석되었다. 이는 국외 양방향 터널의 최대 환기가능 거리기준과 비슷한 경향을 보이고 있다.

5. 방향별 차등차속 차를 적용한 결과와 현 환기설계기준을 비교해 보면, D 값이 0.53 이하일 경우에는 동일차속이 형성되어 ‘도공기준’과 일치하며, 0.53～0.57일 경우는 30 km/h 이상에서 1단계 차등차속차가 형성되어 ‘편람기준’과 일치한다. 반면, 0.58 이상일 경우는 60 km/h 이상에서 2단계 차등차속차가 형성되어 현 설계기준보다 높은 단계의 차등차속에 대한 검토가 요구된다. 따라서 차등차속을 적용하기 위한 차등차속의 단계차 적용에 대한 기준 마련이 요구된다.

6. 양방향 터널의 추정교통량 적용은 현 교통밀도식과는 관계없이 결정될 수 있으므로, 향후 이에 대한 연구가 필요하다고 사료된다.

기호정의

Ar (m2) : 터널내공단면적, Cross Section Area

Dh (m)   : 대표직경 (수력직경), Hydraulic Diameter

AADT (veh/day) : 년평균 일교통량, Average Annual Daily Traffic

PDDHV (veh/h.lane) : 첨두 (중방향) 설계시간 교통량, Peak Directinal Design Hourly Volume

PDHV (veh/h.2lanes) : 양방향 첨두 설계시간 교통량, Peak Design Hourly Volume

Mmax (pc/h.lane) : 최대교통량 (도로용량), Maxium Capacity

K : 설계시간 계수( 일반적으로 30번째), Nth design hourly Factor

D : 중방향 교통량의 비, Percentage of Havey Dierectioanl Traffic Volume

PHF : 첨두시간 계수, Peak Hourly Factor

PCE (pc/veh) : 승용차환산계수, Passenger Car Equivalents

HGV (%) : 대형차량 혹은 대형차혼입율, (Percentage of) Heavy Goods Vehicle

Qreq CM : 소요환기량 특성도, Requried Ventilation Rate (Qreq) Contour Map

Klim (m^-1) : 허용 소광계수, Limited Extinction Coefficient or Admissible smoke concentration