1. 서 론
2. 환기연장에 따른 환기용량 고찰
2.1 국내외 환기용량 계산방식 분석
2.2 덕트 등급별 환기연장 분석
3. 덕트 접속 및 누풍에 대한 현황
3.1 덕트 접속법 조사
3.2 국내 덕트 설치 현황
3.3 국내외 덕트 접속부의 누풍특성
3.4 국내 공사중 환기풍관 누풍율 측정실험
3.4.1 실험장치 제작
3.4.2 풍량 측정방법
3.4.3 누풍율 측정결과 및 고찰
4. 결 론
1. 서 론
터널은 육상의 두 지역을 연결하기 위해 산악 또는 지중에 설치되는 것이 일반적이나, 해저터널의 경우 선박운송에 비해 기상조건 악화시에도 운행이 가능하고 물류 이동속도가 빠르며, 해양 및 연안 환경에 미치는 악영향이 없어, 연안도서 및 해협, 국가 사이를 연결하는 훌륭한 교통수단이 되고 있다. 해저터널 사례를 살펴보면, 외국의 경우 영국∼프랑스의 유로터널(50.45 km), 일본의 세이칸터널(53.8 km), 터키의 보스포러스터널(13.6 km) 등의 해저터널이 운영 중에 있으며, 베링해협(85 km), 지브롤터해협(38.7 km), 자바∼수마트라의 누산타라터널(33 km), 중국의 보하이터널(10 6km) 등 건설을 계획하는 사례가 점차 증가하는 추세에 있다. 국내의 경우 통영시의 충무 해저터널(0.461 km), 부산∼거제의 GK 침매터널(3.7 km)이 운영 중에 있으며, 보령∼태안의 해저터널(6.9 km)이 현재 공사 중에 있다. Fig. 1에는 현재 운영 중인 해저터널 건설 사례를 정리하였다. 국내에서도, 해저터널 건설에 대한 관심이 높아져, 호남∼제주간, 한일간, 한중간의 해저터널 건설에 대한 검토가 진행 중에 있다. 그러나, 초장대 해저터널의 건설경험이 전무하여, 이에 대한 기술축적이 시급한 실정이다.
터널굴착시 터널내 환경은 작업자의 보건안전을 위해 일정수준으로 유지되어야 한다. 일반적으로 육상에 건설되는 터널은 대략 4 km 이하의 굴착구간이 하나의 환기구간이 되며 이 구간에 적합한 환기설비를 설치하고 있다. 그러나, 초장대 해저터널은 해저 지반을 관통하기 때문에, 육상터널에 비해 굴착거리가 증가하게 되고, 시공계획 및 환기방재 측면의 이유로 노선상의 섬을 이용하거나 인공섬을 설치하여 외부로 통하는 지갱을 건설하게 된다. 이러한 인공섬 설치는 수십 m에 달하는 수심을 극복하고 설치해야 하므로 시공상의 문제뿐만 아니라 건설비용이 증가하는 주 요인이 되므로, 인공섬 설치를 최소화하면서도 효과적인 굴착 및 환기방재 성능을 확보할 수 있어야 한다.
따라서, 본 논문에서는 국내외 환기용량 계산법에 대한 검토를 통해 초장대 해저터널에 적용가능한 계산방식을 고찰하고, 덕트설치 현황 분석 및 덕트성능에 대한 실험을 수행하여 국내 덕트 접속부의 누풍율수준을 분석하였다. 이를 통해 인공섬 최소화로 인해 공사중 환기구간이 증가할 경우에 터널내 작업환경 확보를 위한 환기측면의 기술적 개선사항에 대해 분석하였다.
2. 환기연장에 따른 환기용량 고찰
본 절에서는, 초장대 해저터널의 적절한 환기용량을 결정하기 위한 국내 및 국외의 환기용량 계산법과 환기연장에 미치는 영향을 분석하여 초장대 해저터널 건설에 적합한 환기용량 계산법을 고찰해 보고자 한다.
2.1 국내외 환기용량 계산방식 분석
초장대 해저터널은 해저면 아래에 설치되는 특성상 환기구간의 거리가 육상터널에 비해 길기 때문에 터널내 발생 오염물질(화약발파, 디젤기관, 작업자 호흡)의 외부 배출이 어렵고 NATM 굴착시 굴착부의 붕괴로 해수가 유입된 세이칸터널의 건설사례에서 보듯 안전상의 이유로 TBM 굴착 방식을 적용한다. TBM 방식의 특성상 발파에 의한 유해가스 발생은 없으므로, 본 절에서는 간단히 터널내 풍속을 기준으로 국가별 환기용량 계산법의 특징을 비교하였다. Fig. 2에는 본 연구에서 조사된 국내외 환기용량 관련 코드를 나타내었으며, 특이한 점은 국내 철도터널의 공사중 환기계산법이 방재설비편에 수록된 점이다.
국내의 환기용량 계산법은 철도터널의 KR C-12130 (한국철도시설공단, 2012)과 도로터널의 도로설계편람(국토해양부, 2011) 설계지침에 제시되어 있으며, 두 지침의 계산식은 큰 차이가 없는 것으로 조사되었다.
국외의 환기용량 계산법은 일본의 터널 등 건설공사에서의 환기기술 지침(JCOSHA, 2012)과 스위스의 SIA 196 코드(1998)의 설계지침이 조사되었다.
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(a) Korea : Rail tunnel | (b) Korea : Road tunnel | (c) Japan code | (d) Swiss code |
Fig. 2. Ventilation air flow calculation codes of domestic and abroad | |||
일반적으로 환기팬 선정을 위한 환기용량은 작업면에서의 필요환기량을 공급하기 위해 누풍을 고려한 풍량 및 풍압을 산정하여 적용하며, 스위스 지침을 제외한 국내와 일본에서는 팬 풍량(QF) 및 정압(hT)에 대해 동일한 계산식을 적용하고 있는 것으로 조사되었다. 아래의 식은 국내의 기준을 정리한 것이다.
(1)
(2)
:소요환기량(m3/s)
:누풍율
:100 m당 누풍율
:덕트 연장(m)
:마찰 손실계수
:상당 덕트 길이(m)
:덕트 직경(m)
:공기의 비중량(=1.2 kg/m3)
:중력가속도(=9.8 m/s2)
:덕트내 평균풍속(m/s)
일본에서는 환기풍량 및 정압 계산에 적용된 식은 동일하지만, 누풍량 적용에 있어 위의 100 m당 누풍율 값을 덕트의 장척길이, 직경에 따라 구분함으로써 국내보다 더 세분화하여 사용하고 있는 것이 특징이다.
또한, 100 m당 누풍율과 함께 덕트 접속부에서의 누풍 영향을 반영하는 계산식을 제시하고 있으며, 특정 조건에서는 두 식의 환기량 계산결과가 유사함을 밝히고 있다. 그러나, 덕트 접속부의 누풍 특성이 변경(개선 또는 악화)될 경우 두 식의 값은 차이가 발생하게 된다. 참고로, 일본의 NLF (Non Leakage Fastener) 덕트의 경우 이러한 덕트 접속부의 개선효과에 따른 누설량 변화를 접속부 누풍식을 바탕으로 제시하고 있다(Akutio, 2007).
그리고, 식 (1)에서 누풍량은 환기량에 관계없이 덕트 연장에 비례하여 균일 풍량이 배출되는 것으로 계산된다. 환기량은 풍관길이가 점차 증가하여 누풍율(m)이 1에 근접할수록 무한대가 되므로, 계산식의 연장한계는 β가 0.015인 경우 6.67 km, β가 0.03인 경우에는 3.33 km가 된다. 그러나, 한계연장 범위에 가까울수록 풍량 및 정압은 기하급수적으로 증가하기 때문에 실제 적용가능한 연장은 더욱 짧아질 것으로 판단된다.
Fig. 3의 그래프는 Table 1의 설계 조건에 대하여 국내 환기용량 계산식으로 산정한 환기구간 거리에 따른 환기량 변화 및 계산식의 한계범위를 나타낸 것이다.
또한, 덕트를 따라 누풍 및 손실에 의해 풍량 및 압력이 점차 감소되어, 누풍량도 감소되어야 하나, 계산식에서는 전체 덕트구간에서 일정하게 누풍이 발생하는 것으로 고려되어 환기용량이 과대해지는 문제점이 있다.
따라서 국내 및 일본기준은 상기의 문제점으로 인해 환기구간이 긴 초장대 해저터널의 환기풍량 계산에는 부적합하다. 그러므로, 대안으로써 스위스 SIA 196 코드(1998)의 환기량 계산방식의 적용가능성을 분석해 보았다.
SIA 196 코드(1998)에 따르면, 덕트 접속부에서의 누풍량은 누출면 
을 통하여 속도 V로 흘러나오게 되며, 덕트를 통과하면서 풍량이 점차 감소함에 따라 누풍량도 감소된다. 누풍 강도는 덕트의 정압에 달려 있기 때문에, 이에 의해 덕트내 환기량도 변화하며 이러한 조건을 다음의 방정식으로 제시하고 있다.
(3)
: 덕트외면 관련 기하학적 누출면적(m2/m2)
: 덕트 직경(m)
: 덕트 내 정압(Pa)
: 공기의 밀도(=1.2 kg/m3)
: 국부저항계수
SIA 196 코드(1998)에 제시된 환기량 및 압력을 구하는 계산식은 식 (4) 및 (5)와 같다.
식 (4)는 송풍기가 공급해야 되는 풍량 산정을 위해 덕트양단 풍량에 대한 상관관계를 나타낸 것이다. 
는 덕트의 유출입 및 내부의 확대 및 축소 등에 따른 국부저항계수이며, 
는 덕트의 등급별 마찰계수이다.
(4)
: 국부저항계수
: 마찰손실계수
: 유효 누설면적(m2/m2)
: 덕트길이(m)
: 덕트직경(m)
: 덕트말단 무차원 압력(-)
: 무차원 송풍비(-)
: 팬풍량(m3/s)
: 덕트말단 풍량(m3/s)
송풍기의 무차원 압력 공식은 다음과 같다.
(5)
상기의 식을 이용하여 무차원 송풍비(
)와 압력비(
)를 계산하여 팬풍량 및 팬정압을 계산하게 된다.
Fig. 4는 상기 수식을 이용한 덕트등급별 무차원 선도의 작성 사례이다. 이 선도의 특징은 단순히 터널길이를 대상으로 하는 것이 아니라 덕트연장(L)과 덕트직경(D)의 비율로써 무차원비를 구한다는 점에서 인공섬 설치 최소화를 목표로 하는 초장대 해저터널의 장거리 환기구간에 충분히 적용가능하다.
따라서, 다음 절에서는 스위스의 SIA 196 코드(1998)의 환기계산방법으로 덕트 등급별로 환기연장에 미치는 영향을 분석하여 초장대 해저터널의 원활한 공사중 환기를 확보할 수 있는 방법을 도출하였다.
2.2 덕트 등급별 환기연장 분석
SIA 196 코드(1998)에서는 덕트의 등급에 따라 마찰계수 및 누설면적을 Table 2와 같이 정하고 있다. SIA 196 코드(1998)에 따르면, B등급 덕트는 여러번 사용된 덕트로 정기적으로 정비된 덕트이고, A등급 덕트는 새 제품으로, 손상위험이 적게 설치되고 관리가 잘 된 덕트이며, S등급 덕트는 새 제품으로, 관리가 충분히 이뤄지고 단위 조립길이가 100 m 이상인 덕트에 해당한다.
Table 2. Friction coefficient and Leakage Area for duct class | ||
Duct class | Friction coefficient (λ) | leakage area (f*) (m2/m2) |
B class | 0.025 | 20 × 10-6 |
A class | 0.018 | 10 × 10-6 |
S class | 0.015 | 5 × 10-6 |
터널 막장에 필요한 신선공기를 공급하기 위해서는 덕트에서의 누설을 고려하여 팬풍량을 결정해야 하며, 터널 연장이 길어질수록 누설량이 증가하여 팬공급풍량은 더 커져야 한다.
이러한 누설정도는 덕트 등급에 따라 달라지게 되므로, 덕트등급별로 환기가능거리를 분석하여 인공섬 최소화를 달성하기 위한 환기연장 목표 30 km에 적합한 환기시스템 설치방안을 강구하고자 한다.
분석에 적용한 각종 적용값은 2.1절의 Table 1과 같으며, 이를 대상으로 SIA 196 코드(1998)의 덕트등급별 누설면적 및 마찰계수에 따른 팬 풍량, 정압 및 동력을 선정하고, 현재 터널에 적용할 수 있는 팬 성능(2,000 m3/min, 3 kPa, 300 kW)과 비교하여 환기가능 연장을 도출하였으며, 그 결과는 다음 Table 3, 4 및 5에 나타나 있다. 해당 결과를 종합하면, 덕트등급별 최대 환기가능 거리는 B등급 덕트의 경우 3.4 km, A등급 덕트의 경우 6.2 km, S등급 덕트의 경우 10.2 km인 것으로 분석되었다.
상기 분석결과를 살펴볼 때, 덕트 등급에 따라 환기가능거리는 상당한 차이를 보이고 있음을 알 수 있으며, B등급 대비 S등급 덕트의 환기가능 거리는 3배 정도 증가되었다. 초장대 해저터널의 환기구간 거리를 30 km로 할 경우, 양방향 굴착시의 환기거리는 15 km가 되므로, B등급 덕트는 5개소, A등급 덕트는 3개소, S등급 덕트는 2개소의 덕트분할이 필요하다.
SIA 196 코드(1998)에서는 덕트를 분할 설치하는 방법을 Fig. 5와 같이 제시하고 있으며, 다음과 같은 몇가지 주의사항을 밝히고 있다.
1)팬용량 증가 : 이전 덕트(n)의 공급풍량(Q0(n))은 이후 덕트(n-1)에 설치되는 팬용량(Q1(n-1))보다 약 10∼20% 정도 증가되어야 한다.
2)부압영향 방지 : 이전 덕트(n)가 이후에 설치되는 팬의 가동시(n-1 덕트의 팬) 부압에 의해 찌그러질 수 있기 때문에, 일반 비닐풍관 대신 일정 길이(L)의 스틸풍관이 사용되어야 한다.
3)환기성능 유지 : 이전 덕트(n)와 이후 덕트(n-1) 사이의 간격(x)에 따라 환기성능이 달라지므로, 이에 대한 고려도 충분히 진행되어야 한다.
팬 직렬 연결시의 이격거리(x)에 따라 오염공기의 재유입이 발생하여 터널 막장에 오염공기가 공급될 수 있으며, SIA 196 코드(1998) 및 Khanna (2008)는 이 이격거리(x)를 덕트직경의 0.5∼10배 사이로 제시하고 있다. 이격거리(x)에 따른 재유입 비율 및 덕트직경과의 팬용량의 상관관계에 대한 연구를 추가적으로 진행할 예정이다.
덕트를 5개소로 분할하는 경우, 막장 필요풍량(100%) 대비 최초 급기팬 풍량은 덕트에서 누풍을 고려하지 않아도 161∼245%로 증가되어야 한다. 풍량이 증가할 경우 덕트풍속을 적정하게 유지하기 위해 덕트직경이 커져야 하지만, 터널 구조물의 한계에 의해 설치가능한 덕트직경이 제한적일 경우에는 이러한 분할설치가 불가능할 수도 있다.
따라서, 이러한 경우에는 덕트 분할설치보다는 덕트에서 발생하는 누풍을 S등급 수준으로 개선하거나 또는 그 이상의 성능을 확보할 수 있는 방안을 도출하여 환기가능거리를 개선 또는 향상시킬 필요가 있다.
다음 절에는 이러한 덕트에서의 누풍 관련한 국내외 현황을 조사분석하여 초장대 해저터널의 30 km 구간 환기목표를 달성하기 위해 확보되어야 할 덕트의 누풍성능에 대하여 분석하고자 한다.
3. 덕트 접속 및 누풍에 대한 현황
본 절에서는, 덕트의 다양한 접속법을 조사하고, 현재 국내에서 사용되는 덕트 접속 현황을 분석하여 현재의 누풍수준을 평가하고, 초장대 해저터널의 환기연장 목표 30 km를 확보하기 위한 덕트 접속부의 누풍 개선방안을 도출해 보고자 한다.
3.1 덕트 접속법 조사
터널내 막장의 필요환기량 공급을 위해 터널 굴진에 맞춰 적절히 덕트를 연장해 가는 것이 일반적이다. 덕트는 일정길이만큼 제작되기 때문에, 기 시공된 덕트를 연장하기 위해서는 양단의 덕트 접속부를 별도의 수단을 이용하여 체결하여야 한다.
조사결과, 덕트 접속방식은 링(ring) 커플링, 벨크로(velcro) 커플링, 집(zip) 커플링, 스냅-락(snap-roc) 커플링 및 플렉시블(flexible) 커플링 방식 등 다양한 체결방식이 있는 것으로 조사되었으며(ITA, 2011), 그 결과를 아래의 Table 6에 정리하였다.
또한, 일본에서는 잠수복에 사용하는 방수지퍼 및 지퍼접속부에 도넛형태의 조임장치를 적용하여 기존의 장척풍관 대비 1/100 이하로 누풍을 감소하는 기술을 개발한 사례가 있다(Akutio, 2007).
국내의 경우, 덕트 말단을 링으로 감싸고 두 링의 접속부에 일정간격으로 클립을 체결하는 멀티 클립 방식을 개발한 사례가 있다. 이 방식의 경우 클립체결작업의 능률을 높이기 위해 별도의 체결장치를 도입한 것이 특징이나 누풍개선 효과에 대한 구체적인 실험 또는 측정결과는 확보할 수 없었다.
그리고, 국외의 경우, 덕트의 파손시 이를 보수하기 위해 다양한 덕트 보수용 키트가 제작 판매되고 있어 신속하게 덕트 보수가 가능한 것으로 조사되었다.
3.2 국내 덕트 설치 현황
국내의 터널현장에서는 상기의 표에 정리된 다양한 덕트 커플링 방식들 중 어떤 방식을 적용하고 있고, 파손된 덕트를 어떻게 보수하고 있는지 실제 터널 현장을 방문하여 덕트 적용 실태 조사를 수행하였다.
현재 공사가 진행 중인 OO터널의 경우, 풍관을 접속할 때 링타입 덕트의 양쪽을 맞대어 철사를 사용하여 일정간격으로 꿰매는 방식을 적용하고 있다. 풍관 제작업체 관계자에 따르면 이러한 방식이 국내 대부분의 터널 공사중 환기덕트 접속에 이용되고 있다고 한다.
또한, 해당 현장에서는 풍관의 파손발생시 해당 파손부위에 별도의 보수용 키트를 사용하지 않고 Table 7의 그림처럼 철사로 꿰매는 형태로 보수를 진행하고 있는 것으로 파악되었다.
이러한 덕트 접속방식 및 파손된 덕트의 보수작업 방식을 사용할 경우, 접속부 및 파손부위에서 상당한 누풍이 발생될 것으로 보이며, 실제 국내에서는 덕트길이가 보통 20 m 길이로 제작되고 있어, 이러한 접속부를 통한 누설이 상당히 많을 것으로 판단된다. 따라서 이러한 누설량이 많아질 경우, 터널 막장에 필요한 환기량을 충분히 제공할 수 없어 작업환경 확보가 곤란하게 된다.
또 다른 설치사례를 살펴보면, 동홍천∼양양 OO터널의 경우 Table 8과 같이 외국 제작사의 집(zip) 커플링 방식 및 보수용 슬리브(Repair sleeve)를 사용하여, 100 m당 누풍율을 1% 수준으로 확보하였다. 이는 SIA 196 코드(1998)에서 언급한 A등급 덕트 수준에 해당하는 값으로, 양호한 누풍성능을 갖는 덕트가 시공된 사례이다.
국내에서도 일부 터널에서 개선된 성능의 덕트 접속방식이 적용되는 것으로 보이나 대부분의 국내 터널에서는 링접속 및 꿰매기 접속방식을 사용하는 바, 이러한 방식을 사용할 경우, 실제로 얼마만큼의 누풍이 발생하는지 확인해 볼 필요가 있다. 이러한 확인절차를 통해 현재방식의 덕트 누풍방지 성능을 기준으로, 향후 인공섬 최소화를 위해 증가된 환기구간에서 충분한 환기를 수행하기 위해 필요한 덕트성능의 수준 및 확보가능성을 평가해 볼 필요가 있다.
3.3 국내외 덕트 접속부의 누풍특성
국내 덕트 접속부의 누풍 특성을 분석한 사례는 신용관의 연구(1980)가 유일하며, 길이 30 m의 풍관 6개를 접속할 경우의 마찰계수 및 누풍율을 측정하였다. 풍관접속은 앞쪽 풍관 끝의 링을 뒤쪽 풍관 앞의 링에 삽입하고, 두께 약 1.2 mm, 폭 45 mm의 접속용 철판링으로 체결한 기존방식과 직경 2 mm의 피아노선을 15회와 10회 감아 만든 링으로 접속부를 개선한 방식을 사용하였으며, 각각에 대해서 Fig. 6과 같이 측정을 수행하였다. 그 결과 기존 접속방식의 누풍율은 100 m당 18.1%, 개선된 접속방식의 누풍율은 100 m당 2.2%인 것으로 제시하였다. 이 결과값에 기초하여 국내외의 설계코드에서 규정된 누풍율과의 비교를 통해 덕트 접속부의 누풍성능을 평가해 보면 다음과 같다. 국내의 경우, KR C-12130 코드(한국철도시설공단, 2012)에 수록된 연질덕트(시공양호)의 100 m당 누풍율인 1.5%에 비교할 때 전자의 경우는 시공이 상당히 불량한 상태인 것으로 나타났으며, 후자의 경우는 시공양호 조건에 약간 미흡한 누풍성능임을 알 수 있다.
국외의 주요 설계코드인 SIA 196 코드(1998)에는 Table 2에 나타난 바와 같이 덕트 등급별로 누풍면적을 제시하고 있으나, L/D 의 비율이 400 이하인 조건에 대해서는 A등급 덕트의 경우 1%/100 m, B등급 덕트의 경우 2%/100 m로 규정하고 있어, KR 코드의 제시값인 1.5% 는 SIA 196 코드(1998)의 관점으로 볼 때, A∼B 등급 사이의 누풍수준인 것으로 판단된다. 따라서, 신용관의 연구(1980)에서 접속부 개선시의 누풍율은 B등급에 근접한 수준임을 알 수 있다.
Anisdahl 등의 연구(2008)에서는 벨크로 접속 및 지퍼 접속방식에 대해 직경 1.2 m, 길이가 400 m인 덕트가 매 10 m마다 접속부가 있는 경우와 추가적으로 직경 1.7 m, 길이 2,720 m인 덕트 접속부를 10 m간격마다 스틸링으로 접속한 경우에 대한 마찰계수, 충격손실계수 및 누풍을 측정하였다. 그 결과, 전체 측정 케이스에 대해 누풍이 발생하지 않는 것으로 조사되었으며, 그에 대해서는 직선으로 덕트를 배치한 점과 덕트 접속부를 신중하게 연결하였기 때문이라고 밝히고 있다. 그러나, 터널 굴착현장은 단면의 확폭 및 축소, 분기 및 합류 및 덕트시공의 숙련도 등의 다양한 조건이 존재하기 때문에 실험조건과는 상이할 수 있으므로, 실험과 다른 조건의 덕트 접속부에서는 누풍이 발생할 수 있다. 해당 논문에서도 환기 엔지니어들이 특정 제품이 어떤 덕트 등급에 따라 제작되었는지를 명심해야 하며, 정확하게 설치된 접속부에서 누설인자가 0 이란 것이, 임의 설치된 접속부에서 누설이 없다는 것을 의미하지는 않는다고 명시하고 있다.
본 연구에서는 이러한 기존의 연구결과에 더불어, 국내에서의 덕트 접속방식에 대한 누풍수준을 확인하기 위해 다음과 같은 조건의 덕트 누풍실험을 수행하였다.
3.4 국내 공사중 환기풍관 누풍율 측정실험
국내 터널의 공사중 환기용 덕트는 제작 및 설치 등에 대한 문제로 20 m의 길이로 제작된 비닐재질의 풍관을 대부분 적용하고 있다. 따라서 풍관 설치시 20 m마다 접속부가 발생하게 되며, 풍관접속방법은 주로 풍관 접속부에 원형철제 링을 맞대기하여 철심으로 결속하는 접합방식을 사용하고 있다. 그러나 이 접합방식은 시공자의 결속능력 및 접속장치 결함 등으로 누풍율이 일정하지 않아 공사중터널의 환기계획 수립에 어려움이 많다. 따라서, 본 연구에서는 공사중 터널에 주로 사용하고 있는 풍관접속방법으로 누풍율 측정실험을 수행하여 현재의 누풍수준을 평가하였다.
3.4.1 실험장치 제작
실험장치는 Fig. 7에서 보는 바와 같이 축류형 송풍기를 외부에 설치하고, 풍관은 공사중 터널 내 환경조건과 유사하도록 건물내에 설치하였다.
외부 송풍기에서 건물까지 외부 풍관거리는 약 12 m이며, 송풍기와 건물 사이에는 국부손실을 최소화 하기위하여 풍관 레듀서 1개와 60° 풍관 엘보 1개를 사용하였다. 건물내 풍관은 비닐재질로 되어 있으며, 길이 2.7 m의 풍관을 14개 연속 설치하여, 접속부는 총 13개소이며, 측정관로내의 접속부는 9개소이다.
또한 측정관로내 기류안정을 위해 첫 번째 측정위치는 곡관부로부터 20D 이상(10 m), 두 번째 측정위치는 첫 번째 위치에서 50D 이상(25 m) 이격하여 측정하였다. 이 때 측정에 사용한 장치는 Table 9와 같다.
3.4.2 풍량 측정방법
풍량측정은 대한설비공학회(SAREK, 2011)에서 제정한 원형덕트 동일면적분할법(Equal area method)에 의해 측정점 개소 및 측정점 위치를 선정하였다.
Table 10과 Table 11은 각각 덕트크기별 측정점 개수와 측정점 위치 산출결과를 표기한 것이다.
특히, 풍관 측정점 위치는 식 (6)에 의해 산정하였다.
(6)
: 관 내벽면으로부터 측점까지 거리(mm)
: 관 내경(mm)
,
: 측정점 및 분원(分圓)의 수
총 이송 측정점은 Table 10에 따라 실험풍관 크기(500 mm)가 300 mm 초과에 해당되므로 20개소를 반영하였고, 각 측정점 위치는 Fig. 8과 같이 풍관 측정관로 단면에 서로 직각인 직선상에 각 10개씩 전체 20개의 측정점에 대해 피토관(pitot tube)을 이용하여 동압을 측정하였다. 측정된 동압은 식 (7)에 대입한 후, 각 점의 풍속을 구하고, 이의 평균값을 식 (8)에 대입하여 풍량을 산출하였다.
(7)
∵ 
(8)
, 
: 풍속 및 평균풍속(m/s)
: 중력가속도(m/s2)
: 공기비중량(kg/m3)
: 동압(kg/m2)
: 풍량(m3/s)
: 측정 단면내의 총 측정점 수
여기서 공기밀도가 표준상태 공기밀도(=1.2 kg/m3)에 대해 10% 이상 변화가 있다면, 온도 및 고도에 따른 보정계수를 적용하여 풍속을 계산해야 하며, 식 (9)는 공기밀도 보정시 적용하는 계산식이다.
(9)
: 대기압(mmAq)
: 정압차(kg/m2)
: 절대온도(K')
,
: 건구 및 습구온도(℃)
: 습공기 gas상수(m/K')
: 수증기 gas상수(m/K')
: 건공기 gas상수(m/K')
: 습구온도에 대한 포화수증기압(mmHg)
: 수증기량(kg/kg)
: 수증기압(mmHg)
3.4.3 누풍율 측정결과 및 고찰
시험 풍관의 접속은 Fig. 9와 같이 풍관 끝에 2.5 mm강선을 3가닥 꼬아 만든 원형 철제링(500 mm∅)을 부착한 후, 동일하게 제작한 연결풍관에 맞대기하여 1.0 mm 철사로 8회 꿰매어 결속한 풍관과 16회 꿰매어 결속한 풍관에 대해 각각 측정하였다.
누풍율은 다음 식 (10)과 같이 풍관 매 100 m당의 누풍율(∆QL100(%))로 환산하여 산출하였다.
(10)
,
: 1차 및 2차 측정점 풍량(m3/sec)
: 등가거리(m)
|
|
|
(a) Ring connect | (b) Steel Wire Ties | |
Fig. 9. The installation of the connection device of experimental Vinyl duct | ||
(m)
(m3/sec)
(m3/sec)
(m3/sec)
(%)또한, 풍량 측정시 오차범위 최소화를 위해 각 측정위치별 이송 측정점에서 매 5회 실시하여 가장 높은 수치와 가장 낮은 수치를 제외한 3회 측정치의 평균값으로 누풍율을 산정하였고, Table 12에 철사 8회 결속과 16회 결속으로 개선한 접속장치의 100 m당 환산 누풍율을 정리하였다. 본 실험의 풍량측정 오차는 계측장비 및 판정오차등을 고려시 ±1.25% 범위이다.
여기서, 실험 측정거리 25 m에 대한 접속부 개소는 총 9개소이다. 현장에서는 20 m마다 접속부가 설치되는 것을 감안할 때, 등가길이 200 m에 해당하는 누풍율 값을 환산하였다. Table 12에서 보는 바와 같이 국내에서 사용되는 풍관의 누풍율은 철사 8회 결속시 3.07%, 철사 16회 결속시에는 1.57%로 분석되어, 누풍성능이 약 50% 정도 개선되었으며, 이를 통해, 결속수가 증가할수록 누풍율이 개선됨을 알 수 있다.
이 결과는 신용관의 연구(1980) 결과인 직경 2 mm 의 피아노선을 15회와 10회 감아 만든 링 접속장치의 누풍측정값(2.2%)과 비교할 때 유사한 수준에 있으며, 본 실험결과를 통해, 국내 터널 내에 링접속 및 철사 꿰매기 방식으로 적용한 경우의 100 m당 누풍율은 대략 1.5∼3.0% 범위에 있을 것으로 판단된다.
그러나, 국내에서 주로 사용되고 있는 철제 링타입 접속장치는 철사결속수를 증가하더라도, 풍관길이가 증가되면 누풍율 개선에 한계가 있을 것으로 보인다.
이것은 1) 접합부에 철제링을 맞대어 접속하므로, 완전밀착이 어렵고, 2) 철사를 꿰면서 생기는 풍관의 틈새로부터 누풍이 발생하며, 3) 풍량 및 정압 상승시 틈새를 통한 누풍이 증가하기 때문이다.
따라서, 초장대 해저터널의 인공섬 최소화를 위해 증가하게 되는 환기구간거리에 적정용량의 환기를 공급하기 위해서는 현재의 링접속 및 철사 꿰매기 방식으로는 한계가 있으므로, 누풍수준을 SIA 196 코드(1998)의 S등급 수준 이상으로 유지할 수 있는 덕트접속 성능 개선연구가 필요한 것으로 판단된다.
4. 결 론
전세계적으로 해저터널 건설수요가 증가하고 있으며 건설을 계획중인 해저터널의 연장이 초장대화되고 있으나, 국내에는 초장대 해저터널 건설경험이 전무하여 향후 해저터널 건설시 발생할 수 있는 문제점을 예상하고 이에 대한 적절한 기술적 대책을 확보하는 것이 시급한 실정이다.
본 연구는 이러한 연구필요성에 따라 초장대 해저터널의 공사중 환기 측면에서 현재의 수준 및 개선필요성에 대해 환기량 계산방식 및 덕트설치 현황 중심으로 비교분석 및 실험을 수행하였으며, 이를 통해 다음과 같은 연구성과를 도출하였다.
1.국내외 환기계산 방식을 분석한 결과 국내와 일본의 환기계산 방식은 유사하나 누풍량 고려측면에 일부 차이가 있었다. 또한 누풍 고려에 따른 수식의 적용한계가 약 6.67 km 수준임을 확인하였으며, 이에 따라, 초장대 해저터널 건설시 인공섬 최소화에 따라 환기구간의 거리가 15 km 이상일 경우 스위스의 SIA 196 코드(1998)의 환기용량 계산방식이 적정함을 확인할 수 있었다.
2.덕트 내 풍량 및 압력은 누풍 및 손실에 의해 연장이 증가함에 따라 점차 감소되고, 이에 따라 누풍 발생량도 감소되어야 하나, 국내 및 일본의 계산식에서는 전체 덕트구간에서 일정하게 누풍이 발생하는 것으로 고려됨으로써 터널 연장이 긴 경우에는 환기용량이 과대해지는 문제점이 발생한다. 따라서, 초장대 해저터널의 환기계산에는 풍량 및 정압에 따른 누풍이 고려되는 SIA 196 코드(1998)의 환기계산법이 더 적절한 것으로 분석되었다.
3.따라서, 초장대 해저터널의 환기량 계산에 더 적합한 SIA 196 코드(1998)를 이용하여 덕트등급별로 환기가능거리를 분석하였으며, 이를 통해, 덕트의 품질이 S등급일 경우, 환기구간 10.2 km 까지 단일 덕트 배치로 환기가 가능한 것으로 분석되었다.
4.국내외 덕트 접속 현황에 대한 조사를 수행하였으며, 국외의 경우 링(ring), 벨크로(velcro), 집(zip) 등 다양한 덕트 접속방식을 사용하고 있으나, 국내의 경우 대다수의 현장에서 링 접속에 철사로 꿰맨 방식을 적용하고 있고, 덕트 파손시 누풍발생이 없도록 보수용 키트를 사용하지 않고 주로 철사로 꿰매서 보수를 함으로써 누풍의 영향이 상당할 것으로 분석되었다.
5.국내에서 사용되는 덕트 접속 방식에 대한 실험측정을 수행하여 누풍성능이 100 m당 대략 1.5%∼3.0%의 범위가 됨을 확인할 수 있었다.
6.따라서, 초장대 해저터널이 해저면 이하에 건설되어 인공섬의 설치가 제한됨으로써 결과적으로 환기거리가 길어지는 상황에 적합한 환기성능을 제공하기 위해 덕트 접속부의 누풍개선이 주요한 영향인자임을 확인하였다.
상기 연구결과를 볼 때, 덕트 접속부의 누풍을 개선할 경우 인공섬 설치 및 환기기 설치를 최소화할 수 있으므로 시공성 및 경제성 측면에 상당한 기여를 할 것으로 판단된다. 따라서, 덕트 접속부의 누풍개선에 대한 연구 및 기술개발이 추가적으로 수행될 필요가 있으며, 이에 대한 개선연구를 수행 중에 있다.
