1. 서 론
현대의 철도는 고속화가 요구되면서 선형의 개량에 따라 철도터널의 건설이 증가되고 장대화 되는 추세이다. 2015년 기준, 우리나라 도시철도의 총 터널연장은 417.26 km이며 일반철도의 총 터널연장은 569.03 km에 달한다(Korea Railroad & Korea Rail Network Authority, 2016).
철도교통은 일반적으로 도로교통 보다 안전한 것으로 알려져 있으나, 철도터널에서 화재사고가 발생하는 경우에는 열기류 및 연기의 확산이 제한되어 화재연기로 인한 가시거리 감소, 유독가스농도 및 온도상승을 초래하게 되고 이로 인해 대량의 인명피해를 야기할 우려가 있다(Yoo et al., 2015a).
따라서 국내를 비롯한 각 국에서는 철도터널에서 화재 안전성을 확보하기 위한 방재시설기준을 제정하여 방재시설을 설치하도록 하고 있으며, 화재 안전성 평가를 통하여 제연설비, 소화활동설비 등의 설치를 통해 대피환경을 확보하도록 요구하고 있다.
일반적으로 터널 화재 시 인명안전을 확보하기 위한 수단으로 대피환경의 확보가 가장 중요한 것으로 평가되고 있다. 따라서 단선병렬터널의 경우에는 유로, 고타드 터널 등에서 볼 수 있는 바와 같이 일정간격으로 피난연결통로를 설치하고 있으며, 피난연결통로를 설치할 수 없는 복선터널에서는 서비스터널을 설치하여 피난연결통로를 설치할 수 있도록 하거나 15~25 km간격으로 구난역을 설치하고 있다(Channel Tunnel Safety Authority, 1997; Fathi, 2000; Park et al., 2015).
국내의 경우, “철도시설의 기술기준(2014)”에서 터널에 방재시설을 설치하도록 규정하고 있다. 이 기준에 의하면 피난대피통로는 안전성 분석을 통하여 대피통로 간의 간격의 적정성을 검증하도록 하고 있으며, 터널의 단면크기에 따른 피난연결통로의 적정 간격에 대해 연구된 바 있다(Yoo et al., 2015b). 그러나 구난역의 경우에는 설치간격이나 구난역에 갖춰야하는 방재시설에 대해서 규정하지 못하고 있다. 특히 구난역의 제연설비 설계를 위한 제연풍량 및 제연방식에 대한 연구결과나 기준이 없는 실정으로 화재 시 안전을 확보하기 위한 적정풍량 및 급배기 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
이에 본 연구에서는 철도터널 화재 시 구난역에 대해 국소 급․배기 시스템을 적용하여 제연을 수행하는 경우, 안전한 대피환경을 확보하기 위한 구난역 제배연시스템의 제연풍량 및 급배기 방식(배기구의 위치 및 배연방향)을 변수로 하여 화재특성 및 대피특성을 분석하였다.
2. 해석모델
2.1 터널 제원 및 해석조건
본 연구에서는 구난역에서 화재 시 제연방식 및 풍량에 따른 대피안전성을 검토하기 위해서 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 구난역 승강장과 서비스터널을 피난연결통로(Cross passage, CP)로 연결하는 형태의 구난역을 모델링하여 해석대상으로 하였다. 해석모델은 본선터널의 구간길이를 600 m로 하고 구난역의 승강장 길이(X)는 400 m (20량 기준)로 하였으며, 서비스 터널은 본선터널과 평행하게 일부만 모델링하였다. 또한 서비스터널과 승강장을 연결하는 피난연결통로의 간격은 40 m로 총 10개소로 하였다. 단면격자의 형상은 Fig. 1(b)에 나타낸 바와 같다. 격자의 크기는 0.4 m로 하였으며, 축방향으로의 간격은 0.4 m로 하였다. 화재는 본선터널의 중앙부에서 발생하는 것으로 하였으며, 화재강도는 15 MW (1량 화재)와 30 MW (2량 화재)로 하였다. 화재강도에 따른 화재성장시간, 화재유지시간 등은 한국철도기술연구원의 위험도 평가 매뉴얼(2014)를 참조하였다.
모델터널 양갱구부의 경계조건은 5 km의 터널에 해당하는 압력손실을 고려하기 위해서 Inlet Vent조건으로 하였다. 이 경우 입출구부의 압력손실, 
로 고려되며, 국부손실계수는 부가적인 연장을 고려하기 위하여 16.67 (
= 0.025 × 5000 / 7.5 = 16.67)로 설정하였다. 화재해석은 비정상상태(Unsteady state)로 해석하였으며, Time step은 1초로 하여 총 1200초를 해석하였다.
2.2 구난연 제연풍량 및 방식
구난역에서의 제연풍량은 지하철 승강장에 적용하는 풍량은 약 14 m3/s (50000 m3/h) (NFSC 501, 2016)이고 화재강도가 15 MW인 경우에 연기발생량이 40 m3/s정도 이다. 이에 제연풍량은 7, 14, 40 m3/s 조건으로 하였으며, 제연은 서비스터널을 통해서 외부의 공기가 급기되고 구난역 상부에 설치된 덕트를 통해서 배연되도록 하였다. 제연방식은 배기구의 위치 및 급배기조건에 따라서 총 9개로 구분하였으며, 이는 Table 1에 나타내었다. Table 1의 Case 1은 피난연결통로를 통해 급기만을 하는 경우이며, Case 2~5는 강제급배기하는 경우로 피난연결통로를 통해 급기하고 EA1~4의 배기구를 통해 배연하는 경우이며, Case 6~9은 강제배기만 하는 경우로 피난연결통로를 통해 자연급기하고 EA1~4를 통해 배기하는 경우이다. 급기구는 피난연결통로 마다 2 × 2 m의 크기로 배기구는 구난역 상부에 설치된 덕트의 하부면과 측면에 2(W) × 4(L) m의 크기로 총 9개소(피난연결통로 사이의 중앙)에 설치하는 것으로 하였다.
3. 해석결과
3.1 화재특성 분석
3.1.1 승강장의 호흡선에서 온도 및 CO농도분포
Fig. 2는 화재강도가 15 MW인 경우에 Case 2와 Case 3에 대한 해석결과로 화재 후 900초가 경과한 시점에서 구난역 승강장에서 호흡선 높이의 온도를 풍량별(7, 14, 40 m3/s)로 나타낸 것이다.
이 경우, 화원에 인접한 구역을 제외하고 터널의 전체영역이 60°C 이내로 유지되고 있다. Fig. 2에 (f)는 풍량이 40 m3/s로 증대하는 경우로 피난연결통로에서 급기 되는 풍속이 평균 0.54 m/s로 증가하여 급기 되는 공기의 유로를 따라 국부적으로 온도 및 농도가 하강하는 공간이 형성되는 버블효과(bubble effect)현상(Fathi, 2000, Alp-Transit)이 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 터널 양 끝단 부분에서의 온도는 Case 2 보다 Case 3이 낮게 나타나고 있다.
Fig. 3은 화재강도가 30 MW인 경우에 Case 2와 3에 대한 호흡선 높이에서 온도분포를 나타낸 것이다.
화재강도가 15 MW인 경우 7 m3/s의 풍량 조건에서도 전영역이 60°C 이내의 대피환경유지가 가능하였으나 화재강도가 30 MW가 되는 경우에는 풍량을 14 m3/s 로 증가시켜도 승강장의 온도를 60°C를 이내로 유지하는 것이 불가능한 것으로 나타나고 있다. 또한 풍량을 40 m3/s로 하는 경우에는 Case 3 조건의 피난연결통로 급기구역에서 60°C 이내의 환경이 유지되는 것으로 나타나고 있으나, 900초 이상에서는 안전한 대피환경을 유지하는 것은 불가능할 것으로 판단된다.
Fig. 4와 5는 화재강도가 15 MW인 경우에 구난역 승강장의 호흡선 높이에서 평균온도와 CO평균농도를 Case별로 나타낸 것이다. 평균온도 및 CO평균농도는 화재성장곡선상에서 화재강도가 급격하게 상승하는 700초 이후에 급격하게 상승하는 경향을 보이며, 급기만 하는 경우(Case 1)에는 화재가 프래쉬오버에 도달하는 860초 이후에는 본 해석풍량 조건(7, 14, 40 m3/s)에서 모두 60°C를 상회하는 것으로 나타나고 있으며, 평균온도의 최고값은 각각 139 (7 m3/s), 110 (14 m3/s), 90°C (40 m3/s)로 나타나고 있다. 또한 강제급기와 배기를 수행하는 경우(Case 2~5)와 급기만을 수행하는 경우(Case 6~9), 평균온도는 거의 차이가 없는 것으로 나타나고 있다. Fig. 4에 (a)에서 보는 바와 같이 풍량이 가장 작은 7 m3/s인 조건에서도 평균온도는 40°C 이하로 유지되는 것으로 나타났다.
Fig. 5는 시간경과에 따른 호흡선 높이에서의 CO평균농도를 나타낸 것이다. 이 경우에도 화재강도가 급격하게 상승하는 700초 이후에 CO평균농도가 급격하게 증가하는 경향을 보이고 있다.
급기만을 수행하는 Case 1의 경우, 평균농도의 최대값은 약 700 ppm정도이며, 강제급배기 하는 경우(Case 2~5) 및 강제배기만 수행하는 경우(Case 6~9)에 CO평균농도는 100 ppm 이하로 나타나고 있다.
이상의 검토에서 화재강도가 15 MW인 경우에 강제급기 만을 수행하는 경우보다 배기를 수행하는 경우가 안전성 확보에 보다 큰 효과가 있으며 강제배연을 수행하는 경우에는 본 해석의 최소풍량 조건인 7 m3/s인 경우에도 통해서 충분히 안전성을 확보할 수 있는 것으로 판단된다.
Fig. 6과 7은 화재강도가 30 MW인 경우에 호흡선 높이(1.8 m)의 평균온도와 CO평균농도를 시간에 따라 나타낸 것이다. 이 경우에도 화재가 프레쉬오버에 도달한 이후에 온도 및 CO농도가 급격하게 상승하는 경향을 보이고 있다.
풍량이 7 m3/s인 조건에서 평균온도는 제연방식에 따라 102.1~185°C로 나타나고 있으며, 풍량이 14 m3/s인 조건에서는 82.5~183.95°C로 감소하고, 풍량이 40 m3/s인 조건에서 56.47~165.63°C까지 감소하는 것으로 나타나고 있다. Case별 평균온도를 비교하면 근소한 차이지만 강제급배기를 하는 경우(Case 2~5)가 강제배기만을 수행하는 경우(Case 6~9)보다 유리한 것으로 나타났다.
CO평균농도는 Case 1을 제외하고 7 m3/s풍량에서 약 700~1000 ppm이며, 14 m3/s에서는 약 600~800 ppm, 40 m3/s에서 200~400 ppm으로 풍량 증가에 따라 최대농도가 크게 감소하는 것을 알 수 있다.
Fig. 8은 화재강도가 30 MW인 경우, 구난역 승강장에서 프레쉬 오버 후 60초가 경과한 시점인 900초에서 피난연결통로 입구부의 호흡선 높이에서 평균온도를 나타낸 것이다. 평균온도는 화재지점을 중심으로 양방향으로 대칭의 형상을 보이고 있으며, 화재지점 부근에서 가장 높고 화재에서 60 m가 이격된 지점에서 최소값을 보인 후에 화재에서 멀어질수록 상승하는 경향을 보이고 있다. 이와 같은 경향은 제연풍량이 증가하여도 거의 동일하게 나타나고 있다.
Table 2는 제연방식별 풍량별 피난연결통로 입구에서 평균온도를 나타낸 것이다. 풍량이 7, 14 m3/s 인 경우에는 전 Case에서 평균온도는 60°C 이상으로 대피환경을 만족하지 못하고 있으며, 풍량이 40 m3/s이 되는 경우 Case 2 (SA + EA1), Case 3 (SA + EA2), Case 4 (SA + EA3), Case 5 (SA + EA4)일 때 평균온도가 각각 평균 56.82, 44.30, 58.97, 43.74°C로써 60°C 이내의 환경을 유지하는 것으로 나타났다.
급배기 방식에 따른 비교에서는 풍량이 40 m3/s에서 급기만 하는 경우(Case 1)의 평균온도는 84.63°C, 강제급배기하는 경우(Case 2~5)에는 평균온도가 50.95°C, 강제배기만하는 경우(Case 6~9)에는 평균온도가 70.13°C로 나타났다. 따라서 급배기를 동시에 수행하는 것이 피난연결통로 호흡선 높이의 온도를 낮추는데 가장 유리한 것으로 평가되었다.
Fig. 9는 화재강도가 30 MW인 경우에 화재발생 후 시간이 840, 870, 900초가 경과한 시점에서 구난역 승강장에서 호흡선 높이에서의 온도가 한계온도인 60°C를 초과하는 면적을 구하여 승강장 면적으로 나눈 비율(%)을 나타낸 것이다. 풍량이 7 m3/s와 14 m3/s인 조건에서는 840초가 경과하면 Case 1 (SA only)의 경우에는 60°C를 초과하는 면적비가 100%로 승강장 전체가 60°C를 초과하는 것으로 나타나고 있다.
예상되는 바와 같이 풍량이 증대한 경우가 60°C를 초과하는 면적비가 감소하며, 풍량이 40 m3/s 인 경우에 840초 일 때 60°C를 초과하는 면적은 강제급배기를 하는 Case 2~5의 경우에는 50% 이내이지만 강제배기만을 수행하는 Case 6~9의 경우에는 68% 이상으로 18% 이상 증가되는 것으로 나타났다.
또한 900초가 경과한 시점에서는 풍량이 40 m3/s이고 강제급배기하며, 배기구의 위치가 천정부에 보다 가깝게 설치된 Case 3, Case 5가 우수한 것으로 나타나고 있다.
3.2 피난허용시간(ASET) 분석
본 절에서는 피난허용시간(Available Safe Egress Time, ASET)측면에서 피난안전성 확보에 유리한 제연방식을 검토하기 위해서 피난연결통로(Cross passage) 입구부에서 건축물에 대한 성능설계기준(NEMA, 2014)에서 정하는 화재 시 유해가스 및 열환경에 대한 한계기준(Table 3)을 적용하여 한계기준에 도달하는 시간인 ASET을 산정하였다. 피난연결통로 입구부근에서 CO농도는 한계농도인 1400 ppm보다 상당히 낮은 값(최대 700 ppm)을 보이므로 본 연구에서는 온도를 기준으로 하여 ASET을 구하였다.
Fig. 10은 화재강도가 30 MW일 때 호흡선 높이의 온도에 따른 ASET을 구하여 풍량별로 나타낸 것이다. 그림에서 가로축은 피난연결통로의 위치를 나타낸 것이다. ASET은 피난연결통로의 위치에 따라 다르며, 온도와 마찬가지로 화재지점을 중심으로 대칭적인 양상을 보이고 있다. 즉, 화재지점(180 m)과 가장 가까운 160, 200 m지점에서 ASET이 가장 짧고 240 m에서 최대값을 보인 후에 다시 감소하는 경향을 보이고 있다.
제연풍량이 7 m3/s인 경우에 ASET은 780~860초 범위에 있으며 Case 4의 경우가 평균 844.4초로 가장 우수하다. 제연풍량이 14 m3/s인 경우에는 790~880초 범위로 나타나며, 이 경우에도 Case 4가 평균 861.6초 가장 우수한 것으로 나타나고 있다.
또한 제연방식에 따른 비교에서는 강제급배기를 수행하는 Case 2~5가 배기만을 수행하는 Case 6~9보다 ASET이 길게 나타나 안전확보에 유리하며, 구난역 승강장 상부에서 배기하는 Case 2 (SA + EA1)와 Case 4 (SA + EA3) 가 안전성 측면에서 우수한 것으로 나타나고 있다.
제연풍량이 40 m3/s인 경우에는 제연방식에 따른 비교에서는 Case 3 (SA + EA2)과 Case 5 (SA + EA4)가 우수한 것으로 나타나고 있다. ASET은 전체적으로 850~951초의 범위로 나타나고 있으며. Case 5가 933.1초로 대피가 가능한 시간이 가장 긴 것으로 나타났다.
이상의 검토 결과로 급배기 풍량이 7, 14 m3/s인 경우에는 상부에서 배기하는 것이 ASET을 연장시키는데 효과적이며, 풍량이 40 m3/s인 경우에는 승강장 상부에서 수직으로 화재연기를 배기시키는 것이 효과적인 것으로 나타났다. 그러나 화재강도가 30 MW 인 경우, 배연풍량을 40 m3/s로 하더라도 터널의 모든 면적을 60°C 이내로 유지하는 것은 불가능 하므로 연기발생량 이상으로 풍량을 증대하는 것이 필요한 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 철도터널 구난역에서 열차 화재 시 배연시스템 운영방안을 제시하기 위해서 배연풍량 및 배기구의 위치와 배연방법에 따른 화재 시 대피안전성을 비교 검토하기 위해서 구난역을 모델링하고 비정상 상태 수치시뮬레이션을 통해 화재해석을 수행하였다.
화재해석결과로 부터 제연방법 및 제연풍량에 따른 승강장 및 피난연결통로 입구에서 온도 및 CO농도를 비교 ․분석하고 한계온도기준에 도달하는 ASET을 산정하여 분석한 결과, 다음과 같은 결과를 얻었다.
1.서비스 터널을 통한 강제급기는 버블효과(Bubble effect)를 발생시켜 국부적으로 승강장 대피경로의 온도를 낮추는데 효과적인 것으로 나타나고 있다.
2.화재강도가 15 MW이고 급기와 배기를 동시에 수행하는 경우에는 배연방법에 무관하게 제연풍량이 7 m3/s인 조건에서도 안전한 대피환경을 유지할 수 있는 것으로 나타나고 있다.
3.화재강도가 30 MW이고 배연풍량이 14 m3/s인 경우에는 900초 이후에는 60°C 이하의 대피환경을 유지하는 것이 불가능하며, 풍량을 40 m3/s로 하는 경우에는 덕트의 수직부에 배기구를 설치한 Case 3과 Case 5만이 일부구간에서 60°C 이하의 환경유지가 가능한 것으로 나타났다.
4.화재강도가 30 MW인 경우에 피난연결통로 연결부에서 ASET을 분석한 결과, ASET은 배연풍량별로 780~ 860초(7 m3/s), 790~880초(14 m3/s), 850~950초(40 m3/s)정도로 나타나고 있다.
5.터널 내 30 MW 화재 시 급배기 풍량이 7, 14 m3/s인 경우에는 상부 수직에서 배기하는 것(Case 2, 4)이 ASET을 늦추는데 유리하나, 풍량을 40 m3/s로 증가시키는 경우에는 터널 상부 측면(Case 3, 5)으로 화재연기를 배기시키는 것이 유리하므로 배연풍량에 따라 배기방법 및 덕트 위치를 고려해야 한다.
