1.서론

장대터널의 경우 화재시 발생하는 유동성 연기를 배출하기 위한 배연시스템의 구축에 많은 어려움이 있기 때문에 터널에서는 배연보다는 제연 개념을 기반으로 연기의 유동방향을 제어함으로써 승객의 대피로를 확보하는 개념에서 화재시 안전에 대처해야 한다. 이때 화재 특성은 환기방식에 따라 다르며, 일반적으로 횡류식 환기방식의 경우 배연은 용이하나 연기 흐름을 제어하는 제연능력이 떨어지고, 종류식 환기방식은 제연능력은 우수하나 배연능력이 부족하다. 그러나 수직갱이 터널의 중간에 설치된 종류식 환기가 설계된 터널의 경우에는 수직갱을 통한 배연이 가능하므로 환기방식별 화재 발생 시나리오에 따른 최적 배연 또는 제연 설계기술의 개발이 필요하다.

최근 국내 장대도로터널의 환기방식은 횡류식을 적용할 경우 발생하는 굴착단면의 증가의 부담감을 배제하기 하기 위하여 그림 1과 같은 수직갱+제트팬 조합의 종류환기방식이 주를 이루고 있다 (윤찬훈, 2004). 이 방식은 터널 화재 발생시 화재지점부터 출구 측의 차량은 계속적인 주행으로 터널 출구를 통하여 탈출하는 것이 가능하고 환기풍의 방향과도 일치하기 때문에 비교적 안전을 확보하기 쉽고 배연효과도 높다는 장점도 지니게 된다. 또한, 장대터널에 설치되는 수직갱은 화재시 팬이 가동되지 않을 경우 터널 내부의 온도 상승과 수직갱과의 고도차에 의한 압력차가 발생하여 이른바 굴뚝효과에 의한 연기의 유동로로서의 역할을 기대할 수 있다.

자연환기에 대한 배연 효과는 J. Day (1999)가 5%의 경사를 가진 터널을 대상으로 300 m 지점에서 화재가 발생하였을 때 출구에서 유입되는 자연환기의 영향을 수치해석적으로 연구하였다. 이후 B. Brousse (1997)등은 수직갱을 포함하는 길이 2,810 m의 St. Germain 터널을 대상으로 실물 실험을 수행하여, 설계된 수직갱의 배연 능력을 검증하였으며, B. Ribot (1999)등은 2개소의 수직갱이 설치된 모델을 대상으로 수치해석과 모형실험을 수행하여 두 결과를 비교하여 수치해석을 통한 수직갱의 배연 효과 예측치가 모델실험과 근사함을 보였다. 국내의 경우 수직갱의 배연과 관련된 실물 실험은 수행된바 없으며, 축소 모형실험과 수치해석이 근래에 소규모로 이루어지고 있다. 이성룡 (2001, 2002)등은 수직갱이 포함된 모형실험을 실시하여 화염이 수직갱을 통과하면 연기 전파속도의 지연과 온도 감소 효과가 있음을 확인하였으며, 수직갱의 높이가 터널 높이의 1.5 배 이상이 되면 온도감소 효과에 크게 영향 없음을 판명하였다. 또한 터널 화재시 급기팬이 가동될 경우 발열량이 증가함에 따라 화재확대 및 피난장애등이 발생하므로 터널내 수직갱을 설치하고 강제 배기팬을 가동하는 것이 가장 효과적인 온도감소 및 배연효과 방안이라고 하였다. 윤성욱 (2003)은 장대형 수직환기구를 통한 매연확산 연구에 전산유체역학에 기초한 필드 모델의 적용성을 검증하고자 수치해석을 실시하여, 일정한 기준의 질량분율을 일관되게 적용하여 얻어진 매연의 확산은 실험결과를 기본으로 구한 매연확산의 경험적 상관관계식과 거의 유사한 속도로 환기구내에서 상승함을 보였다. 그러나 국내에서 수행된 선행 연구는 화재 실험 대상 터널이 몇 백 미터에 불과하여 장대터널의 특성을 고려하기에는 부족하였으며, 수직갱과 관련된 연구에 적용된 모델 역시 원래 터널에 시공되는 수직갱 형상과는 전혀 다르게 터널의 천정부에 바로 관통되는 형상이 적용되어 있는 문제점이 대두되었다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 보완하여 실험을 수행하였다. 모형 길이 20 m의 일방향 쌍굴터널을 제작하였으며, 피난연락갱 및 수직갱도 실제 건설되고 있는 기하학적 형상으로 모사하였다. Froude 상사를 기본으로한 축소모형실험을 통하여 장대터널의 화재시 수직갱의 높이와 화재위치의 변화 따른 수직갱의 배연효과를 분석하여 보았다.

그림 2. 축소화재모형 실험장치도

2.축소모형실험

2.1 상사법칙

도로터널 환기시스템의 경우 모형의 주위압력을 변화시키면서 실험을 행하기가 현실상 어렵기 때문에 Frou-de 모델링을 적용하는 것이 일반적이다. 화재의 Froude 모델링을 이용한 모형터널과 실제터널의 열방출율 및 속도는 식 1과 같이 스케일링될 수 있다 (Oka Y. and At-kinson G.T., 1995).

                     (1)

여기서, Q : 열방출량, [kW]

L : 터널길이, [m]

V : 환기속도, [m/sec]

2.2 실험장치

모형실험장치는 그림 2와 같다. 제작 모형은 일방향 쌍굴터널에 최대한으로 근사하도록 기하학적 형상을 모사하였으며, 피난연락갱도 차량용과 대인용으로 구분하여 각기 다른 단면을 적용하였다. 터널부분은 실제 터널 단면의 1/50로 축소하였으며, 길이 20 m, 단면직경 0.2 m의 아크릴원관에 노면에 상당하는 아크릴판을 삽입하여 단면을 실제의 터널 기준단면과 거의 동일하게 하였다. 화원 부분은 아크릴 원형관의 변형을 방지하기 위하여 특수 유리로 제작하였으며, 나머지 터널 부분은 기본적으로 1 m 간격의 조립식으로 하여 피난연락갱의 위치 변화가 가능하도록 하였다.

측정은 터널내 열적 안정성 판단을 위한 온도와 화재시 발생한 연기의 거동특성에 따른 역기류를 확인하기 위하여 공기속도 및 CO 농도를 대상으로 하였으며, 측정지점을 그림 3에 도시하였다. 터널천장부, 중앙부등의 온도를 측정하는 K-type 열전쌍선 (thermocouple wire) 23개와 연료의 불완전 연소로 발생하는 일산화탄소 (CO)의 농도를 측정하기 위한 CO probe를 화원을 비롯하여 총 7개소에 설치하였다.

또한, 화원은 직경이 7.5 cm인 pool식 버너를 사용하였다. Pool식 버너란 수평연료표면에서 연료가 자연 연소되는 로서, pool식 버너에서의 연소는 낮은 초기 모멘텀 확산화염 (di-ffusion flame)이라는 것과 부력효과에 의해 영향을 많이 받는다는 특징을 가짐으로써 실제화재에서 나타나는 차량의 연소를 비교적 유사하게 모사할 수 있는 장점이 있다. 연료로는 가솔린을 사용하였으며, pool 화재의 경우 발열량은 식 2에 의하여 결정된다 (O. Megret, O. Vauquelin, 2000). 또한, 연료의 연소효율은 증발된 연료가 모두 연소가 되는 것은 아니라는 가정 하에 0.7로 고려하였다.

                       (2)

여기서, 

 : 휘발성물질의 질량감소율,

 [0.055 kg/m2sec, kθ=2.1 m-1 ]

Hc   : 휘발성물질의 연소열,

[휘발유=43.7 MJ/kg]

A    : 화원단면적, [m2]

모형 터널에서 발생한 화재의 강도는 현재 국내 방재설계시 기준이 되고 있는 화재 강도 20MW로 모사하였다.

3.실험결과

3.1 수직갱에 의한 배연

그림 4. 수직갱전후에서의 화재 발생 위치 및 수직갱의 배연

그 결과 화재 발생 후 5분이 경과할 때까지는 수직갱을 통하여 배기되는 CO는 거의 없으나, 그 이후부터는 지속적으로 증가한다. 그러나 역기류를 제어 할 수 있는 정도의 배연은 이루어지지 않는다. 그림 5와 그림 6은 수직갱 높이별 시간변화에 따른 CO의 변화이다. H*이 0～5.75로 증가함에 따라 화재 지점 후방 47.5 m 지점에서의 CO 농도가 25 ppm 이상이 되기 시작하는 시간은 63.40～219.20 초로 증가하며, 100 ppm에 이르는 시간은 100.91～247.49초로 증가함을 보인다. 또한, 117.5 지점의 경우는 25 ppm 이상에 이른 시간 134.35～190.92초, 100 ppm 이상에 이르는 시간 289.91～389.91초로 증가된 시간이 소요되었다. 이는 수직갱을 통한 연기의 배연으로 역기류 발생을 지체시키는 효과라고 생각된다. 지체 효과에 의한 CO 농도의 증가 시간은 화재지점으로부터 가까울수록 더 커지며 수직갱의 높이에 비례적으로 증가한다. 25 ppm에 이른 시간은 수직갱의 높이가 증가함에 따라 최고 2.44배에 이르며, 100 ppm 이상이 되는 시간도 수직갱 없을 때 보다 1.45배의 시간이 더 소요된다.

또한, 그림 7에서 보는 바와 같이 화재지점 15.0 m 후방에서 터널 단면의 높이별 온도변화를 비교하여 보면, 터널의 천장부에서는 대체적으로 수직갱의 높이가 증가할수록 온도도 감소하는 경향을 보인다. 특히, 수직갱의 높이와 터널 높이의 비 (H*)가 5.75인 경우 수직갱이 없을 경우 (H*=0)와 비교하면, 6분이 경과한 후의 온도차이는 10.97℃ 정도를 나타내었다. 그러나 그림 8에 도시한 터널 중앙 높이에서의 온도차이는 수직갱이 없을 경우보다 다소 감소하기는 하나 그 영향은 미비하다. 또한, 10분 경과 후에 37℃ 내외의 온도 분포를 나타내었다. 이러한 현상이 나타나는 원인은 수직갱을 통하여 배연되는 열기류의 증가로 인하여 천장부를 통하여 전파되는 열기류는 다소 감소하나, 터널 벽면과의 마찰로 인한 하강기류에는 많은 영향을 주지 못하기 때문이다.

3.2 수직갱과 화재위치의 영향

본 절에서는 그림 4와 같이 수직갱을 지난 구간에서 터널 화재시 수직갱의 배연효과를 파악하고자 앞절에서와 동일한 수직갱 조건에서 화재의 위치만을 변경하여 실험을 실시하였다. 그림 9는 수직갱을 지난 지점에서 화재가 발생하였을 경우 화재로부터 117.5 m 지점에서의 CO 농도가 25 ppm과 100 ppm에 이르는 시간을 비교한 그래프이다. 25 ppm에 이르는 시간은 수직갱의 높이가 증가함에 따라 169.71초에서 141.72초로 28.29초 빨라지며, 100 ppm에 이르는 시간은 332.34초에서 219.20초로 127.28초 감소한다. 또한 그림 10과 그림 11은 동일 지점의 단면에서 높이별 온도 변화를 비교하였다. 그 결과 터널 천장부의 경우 화재후 3분이 지난 후부터는 수직갱이 설치되지 않았을 경우보다 온도가 감소되어, 수직갱의 높이와 터널 높이의 비 (H*)가 1.5인 경우 수직갱이 없을 경우보다 약  15℃ 감소되기도 한다. 그러나 수직갱이 설치되어 있는 경우만을 비교하여 보면, 수직갱의 높이가 증가할수록 온도는 증가한다. 이는 수직갱의 높이 증가에 따른 배연능력 향상되기 때문으로, 수직갱 이전에서 화재가 발생했을 경우와 비교하여 보면, 수직갱 이전의 화재시 수직갱의 높이가 증가하면 수직갱의 배연능력향상으로 인하여 CO 농도가 일정치를 초과하는 시간이 증가하고, 단면의 온도도 감소하는 것과는 반대의 현상이 발생한다. 즉, 수직갱 이후에서 화재가 발생할 경우 수직갱의 높이가 증가하면 수직갱으로의 배연에 의하여 역기류가 활성화되어 CO 농도의 전파속도가 증가되어 감지시간이 단축되는 것이다. 같은 이유로 단면의 온도도 증가한다. 결론적으로 수직갱을 지난 지점에서 화재가 발생할 경우 수직갱은 화재 발생으로 인한 연기의 배연에는 유리하나, 오히려 역기류를 증가시켜 화재 초기의 승객들의 안전 대피에는 불리한 상황을 초래할 수도 있다.

따라서 수직갱을 지난 위치에서 화재가 발생할 경우 수직갱에 설치된 팬은 통상적인 배기 모드가 아닌 송기모드로 작동되어야 한다.

3.3 수직갱의 배연설비 가동

앞절에서 본 바와 같이 화재가 수직갱 후방에서 발생할 경우 수직갱은 역기류를 증가시켜 화재 초기의 승객들의 안전 대피에는 불리한 상황을 초래한다. 본절에서는 수직갱을 지난 위치 (fire zone 2.)에서 화재가 발생할 경우 수직갱에 설치된 팬을 송기모드로 작동하여 화재후 2, 4, 6분 후에 가동시켜 실험을 실시하였다.

화재후방 117.5 m지점에서의 CO농도변화는 그림 12에 나타내었다. 배연설비가 가동되지 않을 경우 수직갱에 의한 배연으로 계속적으로 증가하는 CO농도는 127.28초에 이르러 25 ppm을 초과하게 되어, 212.13초에는 100.97 ppm까지 증가한다. 이후 시간의 경과에 따라 증가되는 역기류에 의하여 600초에 이르러서는 241 ppm까지 증가하게 된다. 그러나 배연설비를 2분 후에 가동하게 되면 역기류의 증가 이전에 배연 설비가 가동됨으로써, CO의 농도는 25 ppm 이하를 유지하게 된다. 4분 후에 가동될 경우는 배연설비가 가동되기 이전인 190.92초에 25.78 ppm에 이르게 되고 이후 계속적으로 증가하기는 하나 배연설비의 가동으로 인하여 100 ppm을 초과하지는 않았다. 다만, 화재 발생 후 6분 경과 후에 팬이 가동하게 되면 이미 역기류가 충분히 발달하고 난후에 배연설비를 가동하게 됨으로써, 25 ppm 초과는 169.71초에 그리고 100 ppm 초과시간은 226.27초에 이르게 된다. 이후 410초가 경과된 후부터 역기류의 발달을 억제하여 터널 출구쪽으로 배연시킨다.

화재후방 15m지점에서의 단면 온도 변화를 비교하면 그림 13과 그림 14와 같다. 터널 천장부의 경우 팬 가동이 없을 경우 화재후 10분 경과 후에 72.82℃까지 증가하였으나, 팬이 가동됨에 따라 점차 감소하는 경향을 보인다. 2분 후 가동 될 경우, 화재 후 10분이 경과한 후의 온도 50.41℃를 나타내어 22.41℃가 감소되어 30.78%의 감소 효과를 나타내었다. 4분 후에 가동될 경우 22.44%, 6분 후에 가동 될 경우 8.82%의 단면 온도를 감소시켰다. 피난객들에게 직접적인 영향을 미칠 수 있는 터널 중간부 높이인 4.25 m 지점에서의 단면 온도는 천장부보다는 다소 작은 감소를 보였으나, 팬 가동이 없을 경우 37.77℃, 2분 후 25.92℃, 4분 후 27.73℃, 6분 후 29.57℃까지 감소하였다.

이상에서 보는 바와 같이, 수직갱 이후에서 발생하는 화재시 문제가 될 수 있는 수직갱의 배연에 의한 역기류는 수직갱의 배연 설비의 가동으로 억제가 가능할 것이다. 그러나 수직갱의 배연설비 역시 본선의 임계속도와 동일하게 그 가동시간이 매우 중요한 요소임을 나타내었다. 수직갱의 배연 설비가 6분이 경과한 후 가동될 경우는 CO의 농도는 화재 후 7분이 경과되어서야 감소가 되며, 단면의 온도 감소 효과가 매우 급격하게 작아지므로 배연 설비의 가동은 그 이전에 이루어져야만 한다.

4.결론

본 연구에서는 장대 터널의 환기 방재설비를 계획하기 위하여 축소 모형실험을 실시하였으며, 터널 화재시 수직갱에 의한 배연 능력을 검토하였다. 이를 통하여 얻어낸 결론을 요약하면 다음과 같다.

1. 수직갱에 의한 배연은 화재 후방으로의 역기류 전달 시간을 지체시키는 효과를 보였으며, 화재지점으로부터 가까울수록 더 커지며 수직갱의 높이에 비례적으로 증가한다. 또한, 터널 단면의 높이별 온도변화는 터널의 천장부에서는 수직갱의 높이가 증가할수록 온도도 감소하였다.

 2. 수직갱을 지난 지점에서 화재가 발생하였을 경우 수직갱의 높이가 증가하면 수직갱으로의 배연에 의한 역기류 활성화로 CO농도의 전파속도가 증가되며, 단면의 온도도 증가한다. 즉, 수직갱을 지난 지점에서 화재가 발생할 경우 수직갱은 화재 발생으로 인한 연기의 배연에는 유리하나, 오히려 역기류를 증가시켜 화재 초기 승객들의 안전한 대피에는 불리한 상황을 초래한다.

3. 수직갱을 지난 지점에서의 화재시 수직갱에 의해 활성화된 역기류를 방지하기 위하여 수직갱에 설치된 팬은 통상적인 배기 모드가 아닌 송기모드로 작동되어야 한다. 또한, 수직갱의 송기팬은 6분 이내에 가동되어야 승객들의 초기 대피에 도움을 줄 수 있다.