1. 서론

현재 고속도로에 공용중인 도로터널을 지역과 연장별로 고려하여 터널 온도분포 특성을 분석하였다. 본 연구를 위하여 터널 인근 주변 지역에 온도조사 분석을 실시하였고 터널내 온도분포 특성을 체계적으로 분석하기 위하여 온도센서를 설치하여 상시 온도계측을 할 수 있는 지점을 선정하였으며 선정된 터널의 노선과 연장은 표 1 과 같다. 터널길이별 온도 조사를 위해 적외선 온도계를 이용하여 터널내부의 온도를 입구부와 출구부로 나누어 계측을 실시하였다. 온도조사지점은 터널 입출구부와 입출구부로부터 250m 깊이 지점까지는 50m 간격으로 250m 지점 이후부터 터널연장에 따라 최장 1km 지점까지 100m 간격으로 온도계측을 실시하였다.

2. 터널 연장에 따른 터널 입․출구부 바닥부 온도변화

온도조사지점으로 선정된 터널을 대상으로 터널연장이 1km ～ 5km 이하 터널로 구분하여 각각의 터널에 대하여 입구부와 출구부에서 터널 길이별 바닥부 표면온도를 비교하였다.

2.1  터널 입구부에서의 터널 바닥부 온도 변화

그림 1 ～ 그림 2는 터널 연장별 입구부에서 터널 길이별 바닥부 온도 분포 변화를 도시한 것으로 터널 입구부에서 대략 125 ～ 150m 지점에서 표면온도가 변하고 있음를 알 수 있다. 연장별 전체 터널에 대한 터널내 바닥부 온도 변화지점을 살펴보기 위해 그림 1 ～ 그림 3의 터널별 온도변화지점을 산술 평균하여 표 2에 나타내었다. 표 2에서 보는 바와 같이 터널 깊이 약 136m 지점에서 온도분포가 변함을 알 수 있다.

2.2  터널 출구부에서의 바닥부 온도 변화

터널 연장별로 구분하여 터널의 출구부에서 계측한 바닥부 (포장)의 온도변화를 그림 4 ～ 그림 6에서 보여주고 있다. 그림으로부터 터널연장과 관계없이 바닥부의 온도분포가 터널 입구부의 표면온도 분포와 달리 출구부에서 50m 지점까지는 온도가 변하다가 터널깊이 50m 이후의 깊이에서는 온도분포가 거의 일정하게 유지됨을 알 수 있다.

3. 터널 연장에 따른 터널 입․출구부내 대기 온도변화

3.1 터널 입․ 출구 온도 조사

터널내부에서 동결특성에 영향을 줄 수 있는 터널 입구부와 출구부의 대기온도 상태를 알아보기 위하여 I-Button 온도 센서를 설치하였다. I-Button 온도 센서는 터널의 입구부로부터 50m 간격으로 10개 설치하여 500m 연장의 온도변화를 1시간 간격으로 측정하였다. 또한, 출구부로부터 50m 간격으로 5개 설치하여 250m 연장의 온도변화를 1시간 간격으로 측정하였다. I-Button으로 온도가 측정된 터널은 표 3과 같다.

3.2 진부 1 터널 입구와 출구 온도 상태

우리나라 대표적으로 한서지역인 영동고속도로에 건설된 진부 1 터널의 온도특성을 분석하기 위하여 터널내 위치별 온도 조사를 실시하였다. 진부 1 터널은 연장이 2,095km이고 따라서 터널내 온도분포 차이가 큰 것으로 예상하였다. 진부 터널 인근 지역의 온도 변화는 그림 8, 그림 9, 그림 10 및 그림 11에서 보는 바와 같다. 진부1 터널 인근 지역의 경우 12월부터 2월 말까지 최저 온도가 0℃ 이하로 떨어지는 것을 볼 수 있다. 1월 경에는 그림 9에서는 보는 바와 같이 최저 온도가 -25℃까지 떨어지는 것으로 관측되었다.

진부 1 터널 인근 지역의 6월부터 9월까지 조사된 최고 대기온도는 그림 11에서 보는 바와 같이 7월 30일에 31.3℃까지 상승한 것으로 조사되었다. 6월의 최고 온도는 27.5℃가 조사되었으며, 터널 입구부의 -5cm 깊이에서는 31℃가 조사되어 약 3℃ 정도의 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 9월의 최고 온도는 26.1℃가 조사되었으나, 터널 입구부 -5cm 깊이에서는 26.6℃가 조사되어 온도 차가 거의 발생하지 않은 것을 알 수 있었다.

영동고속도로의 진부 1터널의 입구와 출구부의 온도 상태는 그림 12과 같다. 진부 1 터널의 입구부에서는 50m와 500m의 온도 상태를 조사하였는데, 그림 12에서 보는 바와 같이 온도가 거의 동일하게 변화되는 것을 볼 수 있다. 반면에 출구부는 그림 12에서 보는 바와 같이 2월에는 입구부와 비교하여 온도가 높게 나타나고, 4월에는 입구부와 비교하여 온도가 낮게 나타나는 것을 볼 수 있다. 진부 1 터널의 경우 입구부와 출구부의 온도차가 크게 발생하고 있는 것을 알 수 있었다. 진부 1 터널의 2월 중 최저 기온이 발생한 날의 온도 상태를 알아보았다. 그림 13에서 보는 바와 같이 터널 출구부는 입구부와 비교하여 온도가 매우 높은 상태를 유지하고 있음을 알 수 있었다.

3.3 대관령 1 터널 입구와 출구 온도 상태

우리나라의 대표적인 한서지역으로 동계시 동결등의 영향을 많은 관련이 있는 영동고속도로 대관령 1 터널의 입구와 출구의 온도 상태를 조사하였다. 그림 14에서 보는 바와 같이 출구부와 입구부에서 온도차가 발생하는 것을 볼 수 있었다. 일별 온도의 경우 그림 15에서 보는 바와 같이 출구부에서 높은 온도 상태를 유지하는 것을 볼 수 있었다.

3.4 대관령 5 터널 입구와 출구 온도 상태

영동고속도로 대관령 5터널의 입구와 출구의 온도 상태는 그림 16에서 보는 바와 같다. 입구부 50m에서 온도 변화 큰 것을 볼 수 있었으며, 입구 500m와 출구부 50m는 거의 유사한 온도 변화를 보임을 알 수 있었다. 대관령 5 터널의 일별 온도 변화는 그림 17에서 보는 바와 같이 입구부 50m 제외하고 대부분 유사한 온도 변화를 나타내는 것을 알 수 있었다.

3.5 죽령 터널 입구와 출구 온도 상태

죽령터널은 총 연장이 4600m의 대표적인 장대 도로터널로서 이다. 죽령 터널 인근 지역(경북 안동)의 온도 자료는 그림 18, 그림 19 및 그림 20에서 보는 바와 같다. 죽령 터널의 인근 지역의 최저 온도는 1월부터 3월 말까지 0℃ 이하로 떨어지는 것으로 조사되었다. 1월 말 경에는 최저 온도가 -16℃까지 낮아 진 것을 관측되었다.

중앙고속도로의 죽령 터널의 입구와 출구의 온도 변화는 그림 21에서 보는 바와 같이 입구 50m와 출구 50m에서 변화가 심함을 알 수 있었다. 특히, 출구부 50m의 온도는 측정일에 가장 높게 상승했다가 가장 낮게 하강한 것으로 조사되었다. 입구와 출구부의 일 온도 변화는 그림 22에서 보는 바와 같이 06:00 경에 입구와 출구부의 온도 교차가 발생되는 것을 알 수 있었다.

3.6 육십령 터널 입구와 출구 온도 상태

중부 고속도로에 건설된 육십령 터널을 대상으로 터널의 온도 변화와 비교하기 위하여 인근 지역 (충남 금산)의 기상 자료를 조사하였다. 12월부터 2월까지의 온도 변화는 그림 23, 그림 24 및 그림 25와 같다. 육십령 터널 지역은 그림 23에서 보는 바와 같이 12월 초부터 최저 온도가 0℃ 이하로 낮이지는 것을 볼 수 있으며, 그림 24에서 보는 바와 같이 최저 온도가 -17℃까지 낮아진 것으로 조사되었다. 2월 말 경에는 최저 온도가 0℃ 이상으로 회복되는 것을 볼 수 있다.

중부고속도로의 육십령 터널의 입구와 출구의 온도 상태는 그림 26에서 보는 바와 같이 2월 중에는 출구부 50m가 입구부와 비교하여 높은 온도 상태를 유지하고 있음을 알 수 있었다. 육십령 터널의 일 온도변화는 그림 27에서 보는 바와 같이 출구부가 입구부와 비교하여 높은 온도 상태를 보임을 알 수 있었다.

3.7 웅천 터널 입구와 출구 온도 상태

서해안 고속도로의 웅천 터널은 연장이 500m로서 터널 온도 변화와 비교하기 위하여 인근 지역 (충남 보령 측후소)의 12월부터 2월까지 온도 변화는 그림 28, 그림 29 및 그림 30에서 보는 바와 같다. 12월 최저 온도가 0℃이하로 낮아지는 것을 볼 수 있으며, 1월 중 최저 온도는 -13℃까지 낮아 진 날이 있음을 알 수 있다. 2월중에는 최저 온도가 0℃ 이상으로 회복되는 것을 볼 수 있다.

그림 31에서 보는 바와 같이 입구 50m와 입구 400m의 온도 변화는 크지 않음을 알 수 있었다. 일 온도 변화는 그림 32에서 보는 바와 같이 입구 50m와 입구 400m에서 최대 2℃ 정도의 온도차가 발생하는 것을 알 수 있었다.

4. 결론

공용중인 도로터널별로 우리나라의 대표적인 한서지역인 강원도와 서해안 지역, 경북지역등 다양한 지역적인 특성과  터널 연장 특성에 따른 터널내 온도분포 특성 분석을 위하여 온도계의 연중계측을 실시하였고 년 중 온도변화특성과 갱구부로부터의 깊이별 온도변화특성, 터널연장별 터널내 대기 온도변화특성, 터널내 바닥부 온도 변화특성을 분석하여 다음과 같은 결과가 도출되었다.

1.터널의 연장별 바닥부 표면온도 분포에 대한 분석 결과 갱구부와 출구부가 다른 온도분포를 보임을 알 수 있었다. 출구부에서의 표면온도 분포는 출구부에서 50m 지점까지는 온도가 변하다가 50m 이후 깊이에서는 터널연장에 상관없이 거의 일정한 온도분포를 보임을 알 수 있었다. 그러나 입구부에서의 터널내 바닥부 표면온도 분포는 출구부와 달리 터널깊이 약 125 ～ 150m 지점에서 온도분포가 변하고 있음을 알 수 있었다. 이는 입구부로 유입되는 찬공기가 풍향 및 풍속의 영향을 받아 터널깊이 약 125 ～ 150m 지점까지 영향을 미치는 것으로 보인다.

2.터널내 바닥부의 입구부와 중앙부의 바닥부 깊이별 온도는 다르게 변화되는 것으로 조사되었다. 터널 입구부의 바닥부 하부로 깊이 -5cm는 대기 온도의 영향을 많이 받고 있으나, -30cm 깊이에서는 입구부와 중앙부에 온도 변화 폭이 상대적으로 작음을 알 수 있었다. 영동선 진부 1 터널의 경우 중앙부의 -30cm 깊이에서 12월부터 2월까지 0℃ 이하의 상태를 유지하고 있는 것으로 조사되어, 터널 내 바닥부 하부도 동계 중 동상의 영향을 상당히 오래도록 받는 것을 알 수 있어 기층의 동상 영향이 있는 것으로 조사되었다.

3.진부 터널 입구부의 경우 대기온도는 입구부 50m와 500m의 계측기 사이에서 동일하게 변화되는 것으로 조사되었다. 영동고속도로 대관령 5터널의 입구와 출구의 온도 상태는 입구부 50m에서 온도 변화가 크며, 입구 500m와 출구부 50m는 거의 유사한 온도 변화를 보임을 알 있었다. 동계 중 터널 입구부와 출구부의 온도 상태는 입구부에 비해 출구부의 온도가 높은 상태를 유지하고 있음을 알 수 있다.