1. 서론

근래 몇 년간의 유럽에서의 도로터널 화재사고 이후 터널의 배연설계에 대한 연구가 국내외에서 많이 수행된 반면 지하철 터널에 대한 관련 연구는 일반적인 환기설계에 한 연구가 대부분이다. 지하철의 특성상 화재발생 위험이 도로터널에 비하여 매우 적기 때문인데 2003년 대구에서 발생된 지하철 화재는 세계적으로 널리 보고 되어 지하철에서의 화재대책이 활발히 논의되고 있다. 우리나라에서의 논의의 전부는 차량을 불연화하기 위한

시도에 초점을 두고 있어 지금은 지하철 객차의 좌석이 금속재료로 변경된 객차를 접할 수 있다. 어떠한 대상이라도 원천적으로 화재를 방지하는 것이 불가능하다는 사실과 화재로 인한 인명피해는 화염자체보다 연기의 확산이 주된 원인임을 착안 한다면 위와 같은 대책은 충분치 못한 것임을 알 수 있다. 현재의 지하철 터널에는 오염물질의 환기와 온도상승을 방지하기 위하여 수직갱이 설치되어 있으나 화재에 의한 배연을 전혀 고려하지 않아 수직갱에 설치된 배연설비가 적절한 용량인지는 알 수 없는 실정이다.

본 연구에서는 김명배 외 (2004)에 의하여 정의된 연기전파거리 (Smoke propagating distance) 개념을 사용하여 지하철 터널에서의 배연설계 방법론을 개발하기 위한 첫 단계로 축소모형 터널에서의 배연 실험을 수행하였다. 지하철 역사사이의 전형적인 터널을 선택하기 위하여 현재 운행중인 특정 구간을 선정한 결과 3개의 수직갱이 설치된 연장 800 m, 단면 8×5.5 m 의 터널을 연구 대상으로 선택하였다. 축소모델 실험의 주요 내용은 각 수직갱의 급배기 모드, 화재크기에 따른 연기전파거리를 가시화 기법과 열전대로 측정하는 것이다.

2. 실험장치 및 실험방법

2.1 축소모형 실험장치

축소모형은 실제 터널의 1/50을 기준으로 하였으나 실험 공간의 편의를 위하여 실제 터널의 길이는 550m로 설정 하였다. 축소모형의 대략적인 구조가 그림 1에 제시되었다. 실제 터널에서의 수직갱의 표준 용량은 급기 108,000m3/hr, 배기 54,000m3/hr 이며, 화원의 위치는 대칭성을 고려하여 그림 1과 같이 설정하였다.

모형터널과 실제터널사이의 화재크기와 배연 유속사이의 관계는 다음과 같은 Froude 상사법칙 (Thomas P. H., et. al., 1961; J. G. Quintiere 1989.)에 의하여 결정된다.

           (1)

여기에서 Q는 화재규모를, V는 배연 유속을, L은 대표 길이 스케일을, 아래첨자 m과 p는 각각 모델스케일과 실물스케일을 나타낸다.

식 (1)을 사용하여 설계된 축소모형 터널의 실험장치는 그림 2와 같다. 모형터널의 재질은 가시화를 위하여 투명 아크릴로 제작하였으며, 화원부분의 단열을 위하여 화원이 놓이는 부분은 석고보드로 제작하였다. 단열터널 부분에는 가시화를 위하여 열강화유리로 가시화창을 마련하였다. 급배기 port에서의 유량조절은 inverter를 사용하여 blower의 회전수를 조절하여 조정하였으며, 급배기구에 직경 2.5cm의 직관을 설치한 후 직관에서의 유속 및 온도를 측정하여 급배기 유량을 측정하였다. 연기전파거리 측정을 위하여 6W Ar-Ion laser와 광학계를 이용 터널 중앙 단면의 연기 거동을 가시화 하였으며, 터널 내 온도 분포를 파악하기 위하여 터널 길이방향으로 총 24개의 열전대를 설치하였다. 이 열전대 data는 열전대의 반응 시점을 토대로 연기전파거리 계측을 위한 가시화 결과의 보충자료로 활용될 수 있다.

2.2 화원 및 실험조건

실험에 쓰일 화원으로는 단일조성 물질로써 연소열이 일정한 heptane을 사용하였다. 화재 크기를 조정하기 위해서 3 종류의 연료 pan을 가공하였다. 화원의 화재 크기를 일정하게 유지하기 위하여 연료팬의 50% 부피에 해당하는 물을 주입한 후 연료를 주입하였으며, 직경이 큰 연료 buffer를 연료팬에 연결하여 연료의 유면을 일정하게 유지하였다. 자유연소 (free burning) 상태에서 연료팬에서 소모된 연료량 (연료 증발량)을 저울로 계측하여 이를 토대로 화재의 크기를 결정하였다. 화재 크기를 계산하기 위해서는 heptane의 연소열, 증발량, 연소효율이 필요하다. 이 중 heptane의 연소열은 heptane의 물성치로 변화가 없고, 증발량은 계측된 값이다. 그러나 연소효율의 경우 연소조건에 따라 그 값이 달라진다. 일반적으로 직경이 큰 pan의 경우 자유연소 시의 연소효율은 약 0.93 정도로 알려져 있다 (SFPE Handbook,  2002). 그러나 제한된 구역에서 산소 부족이 발생할 경우의 연소효율은 급격히 감소한다. 터널의 경우 길이가 길어 화재시 산소공급이 원활하지 않을 수 있다. 이는 화재조건의 함수이다. 본 실험에서는 연소효율을 0.7에서 0.93의 범위로 산정하였다. 즉 터널내의 조건에 따라 화재크기는 연소효율 0.7에서 0.93의 범위 내에 있게 된다. 다음 그림 3은 연료 pan에서의 실제 연료 소모량이며 그림 4와 5는 연료소모량을 기준으로 계산한 발열량이다. Full scale에서의 발열량은 Froude 상사를 이용하여 계산한 결과이다.

다음 표 1은 각 pan의 연소효율에 따른 평균 발열량을 보여준다.

화재크기와 급배기양 및 급배기 모드가 연기전파거리에 미치는 영향을 다각적으로 조사하기 위하여 표 2와 같은 화재실험 시나리오를 구성하였다. 표 2에서 음의 부호를 갖는 vent는 급기모드로 운전됨을 의미한다.

3. 실험결과 및 토의

표 2의 실험 시나리오에 따른 실험결과를 시나리오 번호별로 기술한다.

시나리오 1번의 경우 터널 내 온도는 화재발생 후 300초에 화원 직상부에서 800℃ 정도까지 상승하지만 화원부를 벗어나면 100℃ 미만으로 떨어진다. 배기포트가 있는 곳에서의 온도 상승은 12℃ 미만으로 아주 미미하다. 따라서 터널 내에서의 피해 요인은 화원주위를 제외하고는 열적 피해가 아니라 화재연기에 의한 피해임을 알 수 있다. 또한 터널 내 온도는 화원 좌측부에서 상대적으로 높다. 이러한 터널 내 온도분포는 기타 모든 화재 시나리오에서 비슷한 경향을 갖는다. 연기는 배기가 일어나는 vent1과 vent2에서 대부분 배출되지만 vent2의 배기용량이 부족하여 연기가 배기구를 넘어 vent3쪽으로 전파된다. 화원으로부터의 연기전파거리는 가시화의 경우 화원의 좌우측 방향으로 모두 2.4m로 나타났으며, 열전대의 반응을 기준으로 한 경우 2.25m~2.75m 사이에 연기선단이 존재하는 것으로 나타났다.

시나리오 2번의 경우 시나리오 1번과 같은 조건에서 배기량을 1.5배 증가시킨 결과이다. 배기용량이 증가되었기 때문에 연기는 모두 배기구에서 배출된다.

시나리오 3번의 경우 시나리오 1번과 비교하여 화원의 크기를 약 2배로 증가시킨 결과이다. 화재가 커지고 배기량은 상대적으로 적기 때문에 연기는 배기구위치를 넘어 좌우측 방향 모두 3m 정도까지 전파된다.

시나리오 4번의 경우 시나리오 3번과 같은 화원조건에서 배기량을 두배로 늘린 결과이다. 연기전파거리는 단축되었지만, 배기구를 넘어 연기가 전파되고 있다.

시나리오 5번의 경우 중앙 환기구 (vent2)에 급기를 준 경우이다. 중앙에서의 급기에 의해 화원으로부터 중앙배기구 (vent2) 방향으로의 연기가 급기구 (2m)까지 도달하지 못하고 1.7m 위치에서 멈추었다. 그러나 좌측 방향으로는 연기가 배기구 vent1을 넘어 전파되고 있다.

시나리오 6번의 경우 시나리오 5번과 비교하여 화재규모를 증가시켰다. 화재규모의 증가함에 따라 중앙 급기구 (vent 2)의 급기 유량이 충분하지 못하여, 화재연기가 급기구를 넘어선 후 우측 배기구 (vent 3)측으로 급속히 확산되었다. 이는 급기 용량이 부족할 경우 연기를 한 방향으로 제어하지 못할 뿐만 아니라 일단 급기구 위치까지 연기가 전파되면 터널 전 방향으로 연기를 급속히 전파시키게 되는 급기의 부정적 측면을 잘 보여주고 있다.

시나리오 7번의 경우 시나리오 6번과 비교하여 배기구의 배기유량을 증가시켰다. 시나리오 6번과 유사한 결과를 보이고 있으나, 증가된 배기유량으로 인하여 연기전파 거리가 일부 단축되었음을 알 수 있다. 그러나 급기구(vent 2)의 급기로 인한 부정적인 영향은 시나리오 6번과 마찬가지로 나타나고 있다.

시나리오 8번과 9번은 화재 좌측으로의 연기전파를 억제하여 피난로를 확보하기 위한 방편으로 화재의 좌측(vent 1)에서는 급기를, 화재의 우측에서는 배기 (vent 2, vent 3)를 준 시나리오이다. 시나리오 9번의 경우 화재의 크기를 시나리오 8번에 비하여 크게 설정한 경우이다.

시나리오 8번의 경우 화재의 좌측에서 급기가 이루어지고 있으므로 우측으로의 연기전파거리가 좌측으로의 연기전파거리보다 짧은 결과를 보여준다. 또한 화재 크기에 비해 급기 유량이 충분하여 화재연기가 급기구 (vent 1)까지 도달하지 못하여 화재 연기를 한쪽 방향으로 제한하고자 하는 목표를 달성할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 화재의 크기가 보다 큰 경우 연기를 한쪽방향으로 제한하고자 하는 급기의 영향이 매우 부정적인 결과를 초래할 수 있음을 다음 시나리오 9번이 잘 보여주고 있다.

시나리오 9번은 시나리오 8번의 경우에 비해 화재 크기가 증가한 경우이다. 화재의 좌측에서 급기가 이루어지고 있으므로 우측으로의 연기전파거리가 좌측으로의 연기전파거리보다 짧은 결과를 보일 것으로 예상할 수 있으나, 가시화에 의한 연기전파거리 측정 결과는 다른 의미를 보여 준다. 가시화에 의한 좌측으로의 연기전파거리가 무한대 (∞)로 표시되어 있는데, 이는 연기가 터널 끝까지 전파되어 터널 바깥으로 배출되고 있음을 나타낸다. 즉 화재의 크기에 비하여 급기유량이 충분하지 못하기 때문에 화재연기를 한쪽방향으로 제어하지 못하고, 그 결과 연기가 급기구 (vent 1)까지 전파되었다. 급기구(vent 1)를 넘어선 연기는 급기의 영향으로 터널 좌측 끝단까지 도달한다. 이는 화재시 급기가 화재안전의 관점에서 부정적인 결과를 초래할 수 있음을 보여주는 중요한 결과이다.

이상의 결과를 종합하여 표 3에 나타내었다.

시나리오 1-4번은 수직갱 전부 배기모드로 작동되는 상황을 재현한 것으로 배기용량만 적절히 산정하면 적합한 화재환기설계가 가능함을 나타내고 있다. 현재 터널의 오염물질 배출과 온도상승 방지를 위한 일반 환기 절차에서는 중앙의 수직갱은 급기, 양쪽의 수직갱은 배기로 운용되고 있다. 이와 같은 상황을 재현한 시나리오 5-7번의 실험결과로부터 급기에 의해 연기전파 거리가 죄우측 양단의 배기구를 넘어서 연기가 전파됨을 알 수 있었다. 이는 화재 규모가 보다 클 경우 연기가 역사로 전파될 수 있음을 보여주는 결과이다. 따라서 현재의 지하철에서 사용되고 있는 일반 환기설계는 화재환기에 적합하도록 수정이 이루어져야 할 것으로 판단된다. 시나리오 8-9번은 화재연기를 한쪽방향으로 제한하고자 좌측의 수직갱을 급기모드로 운전한 실험결과로 급기에 의한 연기의 전파라는 부정적인 현상이 관찰되었다.

이러한 다양한 시나리오에 의한 화재 연기거동을 살펴볼 때 화재시에는 터널의 전체 환기설비를 배기모드로 운전하는 것이 안전성을 확보하는 방법임을 알 수 있다. 이와 같은 급기의 부정적인 영향은 Prevention and Control of Highway Tunnel Fires(2000)에 기술된 것처럼 도로터널의 화재환기에도 적용되고 있다.

4. 결론

현재의 지하철 터널에서의 환기는 오염물질 배출과 터널내 온도상승 방지를 목적으로 하고 있다. 따라서 급배기 모드의 선택이나 급배기량의 선정도 화재발생을 전혀 고려하고 있지 않다. 본 연구에서는 이 점에 착안하여 지하철 터널의 화재환기에 적합한 설계방법을 개발하기 위한 전 단계로 축소모형 터널에서 연기전파거리를 측정하여 화재환기의 유용성을 판단하고자 하였다. 물리적으로 보아 연기전파거리를 기준으로 화재환기의 실효성을 판단하는 것은 적절하다고 판단된다.

축소모형에서 1.24~1.65 KW (Full Scale 산정시 22 ~29 MW)의 화재크기에 대해 표준배기량 50.9 l/min (Full Scale 산정시 54,000 m3/hr)는 화재에 의한 연기의 전파를 배기구 사이로 제한하지 못하고 연기가 배기구를 넘어 전파된다. 즉 표준 배기량은 상기의 화재 크기에 대해 충분한 배연효과를 주지 못한다. 표준 배기량의 두배인 101.8 l/min (Full Scale 산정시 108,000 m3/hr)의 배기 조건에서는 화원에서 발생한 연기의 전파를 배기구까지로 제한할 수 있었다.

터널에서의 화재시 급기는 연기의 전파를 터널의 한방향으로 제한하고자 사용된다. 그러나 모형실험결과 급기는 화재연기를 한쪽 방향으로 제한하지 못하였고, 이에 따라 급기구까지 도달한 연기는 급기유동에 급속히 혼합되어 급기구가 있는 방향의 터널 전체에 연기를 급속히 확산시키는 매우 부정적인 결과를 초래하였다. 비록 급기량이 충분하여 연기 전파가 한쪽방향으로 제한된다 하더라도 반대쪽의 배기구에서 충분한 용량의 배기가 이루어지지 않으면 연기가 터널 전체로 급속히 확산되게 된다. 이러한 연기는 궁극적으로 지하터널에 연결되어 있는 역사로 전파되므로 지하터널에서의 화재시 급기모드는 사용하지 않는 것이 바람직할 것으로 판단된다.