1. 서 론
터널은 산, 바다, 강 등 지형적 어려움을 극복하고 교통과 물류의 이동거리와 시간을 단축시켜주는 도로의 연장이다. 국토의 70%가 산악지형인 우리나라에서는 교통과 물류의 원활한 흐름을 위해 이러한 터널의 수요가 꾸준히 증가해 왔다. 그러나 터널은 반밀폐적인 공간적 특성을 가지기 때문에 화재에 취약하며 화재 발생시 대형 인명피해의 위험성이 높은 문제점을 가지고 있다. 2021년 12월 기준 대한민국에는 2,742개의 터널이 존재하며, 길이는 총 2157 km에 달한다. 2011년과 비교했을 때 각각 87.2%, 104.8% 증가하였다(1). 또한, 터널기술이 발전함에 따라 터널의 1 km 이상인 장대터널과 5 km 이상의 초장대 터널 건설과 계획이 확대되고 있다.
국내에서는 아직까지 몽블랑 터널(프랑스-이탈리아 연결) 화재와 같이 심각한 피해가 발생하지는 않았으나, 터널 화재는 구조적 특성상 소규모 차량 화재도 큰 인명피해를 초래할 수 있기에 철저한 예방과 대처가 요구된다. 터널 화재의 경우 대부분의 인명피해는 연기로 인해 발생한다. 이에 화재 발생시 인명피해를 최소화하기 위해서는 초기에 터널에서 연기를 밖으로 배출시키거나 차단하기 위해 터널내 제연설비가 필요하다. 우리나라는 국토부에서 제정한 도로터널 방재⋅환기시설 설치 및 관리지침(2)에 따라 제연용 제트팬 댓수, 용량을 산정하여 제트팬을 설치하고 있다. 또한 터널설계기준(3)에 따르면, 도시철도터널의 경우 비상시 배출하기 위해 연기 풍속을 2.5 m/s 이상 유지할 수 있도록 기준을 제시하고 있다. 그러나 현재 기준에는 풍속설정에 대한 기준만 있을뿐 화원의 크기나 위치 등 터널 화재에 대한 구체적 대안 제시나 장대터널, 철도터널 등의 대형화재의 예방 및 대응 방법이 미흡하다.
기존 터널화재 연구는 화재역학적인 측면에서 많이 수행되고 있다. Yoon과 Ju(4)는 환기구 유무, 대수, 용량, 복수 화원 존재가 터널 화재시 연기 온도 분포에 미치는 영향을 평가하였다. Lee 등(5)은 터널 화재시 단면 형상에 따른 연기 거동 특성을 파악하여 터널 화재를 물리적으로 이해하고 설계자나 전문가에게 보다 유용한 자료를 제공하고자 하였다. Zhongyuan 등(6)은 터널 화재시 화재 위치가 연기 온도 분포에 미치는 영향을 확인하고자 하였으며 천장 연기 온도에 큰 영향을 미치지 않음을 확인하였다.
터널에서의 화재적 측면 외에 제연설비를 중심으로 연구가 수행되었다. Kim 등(7)은 터널 화재시 제트팬 유량을 변화시켰으며, 제트팬 직경과 유량 설정이 신속한 제연 효과의 해결책이 될 것이라고 하였다. Kim 등(8)은 터널 화재시 제트팬 설치에 따라 효율적으로 연기를 제어하기 위해 축소모형 실험을 실시하여 얻어진 결과와 fire dynamics simulator (FDS) 수치해석 결과를 비교⋅분석하였다. 근접 제트팬의 작동은 화원과의 거리가 25 m 이상일 때 가동해야 하는 것을 확인하였다. Brahim 등(9)은 터널 화재시 환기시스템이 온도분포 및 성층화에 미치는 영향을 파악하여 더 효율적인 환기시스템을 제안하였다.
국내에서 수행된 선행 연구들은(5,7,8) 실험 대상 터널 길이를 축소하여 해석하였으며 실제 터널에서의 화재 현상을 고려한 연구는 부족한 실정이다. 또한, 터널에는 다양한 차량 이동으로 인해 차량의 종류와 적재된 물품에 따라 화재 성상과 규모가 차이가 크게 나는데 이를 고려한 연구는 거의 수행되지 않았다. 이와 같이 대부분의 연구는 실규모가 아닌 터널 길이를 축소하여 해석하므로 실제 장대 터널에서의 다양한 화재 현상 구현과 제연성능을 정확하게 분석하는 데에 있어서는 부족함이 있다고 생각된다. 따라서, 장대터널을 실규모로 해석하고 대형화재에 대한 제연성능의 검토가 필요하다.
본 연구에서는 기존 실규모 실험 데이터(10)를 기반으로 화재 성상과 규모를 고려하여 FDS를 통해 항만 지역에 위치해 물류 이동이 많은 지역 터널을 대상으로 대형화재를 구현하여 장대 터널의 제연성능 분석을 통해 화재 안전성 평가를 하고자 한다.
2. 전산 시뮬레이션과 실험 조건
2.1 전산 시뮬레이션
본 연구에서는 화재성장곡선에 따른 터널화재시 적절한 제연설비 확보를 위해 미국 national institute of standards and technology에서 개발한 computational fluid dynamics 프로그램인 FDS ver 6.7.5을 사용하여 해석을 수행하였다.
FDS는 난류 유동을 해석하기 위한 방법으로 direct numerical simulation과 large eddy simulation (LES) 기법을 사용한다. 본 연구의 터널 화재 해석에서는 LES 기법으로 난류 유동을 해석하였다. FDS에서는 연소 현상을 모델링 하기 위해서 기본적으로 연료와 산소의 반응이 빠르고 혼합에 의해서만 제어되는 mixing-controlled 연소 모델과 1-step simple equation을 이용한다. 이 모델은 CO 및 Soot의 산출량과 함께 연료의 화학식에 관한 성분을 지정하면 FDS 내에서 화학량론적 계수를 계산한다(11). 이때 필요한 화학적 성분은 연소에 사용되는 wood_oak에 대한 것으로 C: 1.0, H: 1.7, O: 0.72, N: 0.003으로 설정하였다. 연기와 CO의 수율인 ys와 yCO는 FDS에서 제공하는 가연물 물성 라이브러리를 참고하여 각각 0.015, 0.004로 설정하였다.
2.2 실험 대상 터널과 화재모델링
본 연구에서는 부산광역시 해안가에 위치한 장대터널을 화재 시뮬레이션 대상 터널로 선정하였다. 대상 장대터널은 기존 경로를 단축시켜 원활한 항문 물류 수송이 가능하여 물류비용 절감 효과가 크다. 터널의 길이는 2330 m, 폭은 9.9 m, 높이는 7.4 m이다. 편도 2차로(왕복 4차로) 쌍굴식 터널이며 콘크리트 벽면으로 구성되어 있다. 도로터널에는 소화기(소화전)가 50 m 간격으로, 피난 연결통로는 약 600 m 간격으로 설치되어 있다. 터널 내 환기를 위해 내경이 1250 mm인 제트팬이 160 m 간격으로 설치되어 있다.
Figure 1은 실험 대상 터널의 길이 2300 m에서 입구에서부터 500 m 위치까지는 화원의 영향이 없을 것으로 예상되며, 피난연결통로를 포함하지 않기에 계산 시간을 고려하여 길이 500 m 단축시켜 구성한 화재 시뮬레이션 형상을 나타낸 것이다. 터널은 길이 1800 m, 폭 10.0 m, 높이 7.6 m으로 구성되어 있다. 화재는 출구 부근 피난연결통로에서 발생하여 터널 이용자가 다른 피난연결통로로의 대피를 위해 최대 600 m의 거리를 이동해야 하는 최악의 시나리오로 가정하였다. 화재 시뮬레이션에 사용한 연료, 화원 면적 및 열방출률은 기존 실규모 실험 데이터(10)를 기반으로 선정하였다. 연료는 화물차량에 포함된 목재 팔레트를 나타내는 wood_oak를 사용하였다. 화원의 면적은 10.4 m × 2.4 m이며, 높이는 4.4 m이다. Table 1은 본 연구의 열방출률 조건을 제시한 것이다.
2.3 제연설비 현황
터널에서의 제연설비는 횡류식 혹은 반횡류식의 배기방식과 종류식의 제연방식이 있다. 일반적으로 일방 통행 터널에서는 경제성을 고려하여 비용을 절감하면서 대피자의 반대 방향으로 연기를 효과적으로 제어할 수 있기 때문에 대부분의 장대터널에 종류식 환기방식이 사용되고 있다. 본 연구에는 실제 실험 대상 터널에 160 m 간격으로 설치되어 있는 내경 1250 mm, 제트팬에서 토출 풍속은 30 m/s 이상(2)이므로 유량 37 m3/s의 제트팬을 동일하게 적용시켰다. 화재 시뮬레이션은 사각구조물로 형상이 가능하여 구조체를 삽입하여 제트팬의 덕트를 구현하였다. Figure 2는 제트팬을 모델링하여 나타낸 것이다. 입구-출구방향으로 제트팬이 1열당 1대씩 총 11대 설치되어 있다.
2.4 시뮬레이션 실험 조건
본 연구에서는 최대 열방출률이 66 MW와 119 MW로 터널 내 화물차량 등에서 발생할 수 있는 규모가 큰 화재이므로 해당 화재 규모에 있어서 적절한 제연설비의 성능을 검토하고자 한다. 제트팬 유량 변화에 따른 연기 거동, 가시거리, 온도 영향을 검토하기 위해 제트팬 설계유량 100% (37 m3/s)에서 20%씩 감소하는 80% (29.6 m3/s), 60% (22.2 m3/s), 40% (14.8 m3/s), 20% (7.4 m3/s)와 추가적으로 설계유량의 절반인 50% (18.5 m3/s)에 해당하는 유량으로 시뮬레이션을 진행하였다. 다음으로 설치 간격의 변화가 연기 거동, 가시거리, 온도에 미치는 영향을 검토하고자 160 m에서 240 m, 320 m로 설치 간격을 늘려 100%의 설계유량에 대해 시뮬레이션을 진행하였다. Table 2는 시뮬레이션 조건을 요약하여 나타낸 것이다.
Table 2
Simulation Conditions of Smoke Control System
2.5 격자 적정성 평가
FDS 계산에 적절한 격자 크기(∆x)를 선정하기 위해 화원의 크기를 기준으로 격자 적정성 평가를 한다. 특성 화재직경의 크기는 NUREG-1824 보고서(12)에 제시된 격자 적정성 평가 식(1)을 통해 결정된다.
여기서, D*는 특성 화재직경을, Q˙는 최대 열방출률, ρ∞, Cp, T∞는 각각 주변 공기의 밀도, 비열, 온도를 의미하며 g는 중력가속도를 의미한다. 기존 문헌(11,12)에 따르면 격자 민감도 수용범위는D*/dx의 범위가 4-16인 경우 해당하는 격자 크기가 화재를 적절하게 해결할 수 있다고 알려져 있다. 해당 평가를 통해 선정된 격자 크기는 66 MW의 경우 0.32 m - 1.28 m이며, 119 MW의 경우 0.40 m - 1.62 m이다. 이에 제트팬이 있는 구간은 유동 변화를 고려하여 더 조밀한 0.2 m를, 이외의 구간은 0.4 m로 구성하도록 하였다. 계산에서 사용된 총 격자의 개수는 약 290만 개다.
3. 전산 시뮬레이션 검증
본 연구에서는 FDS 모델의 신뢰성을 검증하기 위해 실규모 터널 화재 실험을 수행한 Ingason 등(10)의 연구를 기반으로 하여 실험 결과와 화재 시뮬레이션 결과를 비교하였다. FDS 모델의 신뢰성 검증을 위하여 최대 열방출률이 66 MW인 터널 화재에 대하여 터널 내부의 높이 및 위치에 따른 온도분포를 실험 결과와 비교 검증하였다. 신뢰성 검증을 위해 NUREG-1824(12)에 제시된 물리량의 측정 불확실도(experimental uncertainty, σ˜E) 및 모델 불확실도(model uncertainty, σ˜M), 편향인자(bias factor, δ)를 고려하였다.
Figure 3은 실험에서 측정한 온도와 FDS에서 계산된 온도를 비교하여 나타낸 것이다. Figure 3(a)는 화재로부터 458 m 위치에서 높이에 따른 온도 결과를, Figure 3(b)는 천장 0.5 m 아래에서 위치에 따른 온도 결과를 나타낸다. Figure 3(a)의 경우 모델이 예측한 값 모두 모델 오차범위 내에 존재하므로 적절하게 예측하는 것으로 판단된다. Figure 3(b)의 경우 일부가 모델 오차범위에 걸쳐있는 것으로 나타났지만, 대부분이 모델 오차범위 내에 존재하므로 적절하게 예측하는 것으로 판단된다. 따라서, FDS 연소 및 유동 모델이 터널의 화재 예측에 있어서 적절하게 활용될 수 있음을 확인하였다.
4. 전산 시뮬레이션 결과와 고찰
4.1 연기 거동과 역기류
Figures 4와 5는 각각 66 MW와 119 MW 화재가 발생했을 때 설계유량 변화에 따른 연기 거동을, Figures 6과 7은 각각 66 MW와 119 MW 화재가 발생했을 때 설치 간격 변화에 따른 연기 거동을 가시화하여 나타낸 것이다. 두 화재에 대해 유량 감소로 인해 연기가 입구 방향으로 이동하는 시점, 발화 후 19 min에 해당하는 1140 s의 상태를 나타내었다.
Figures 4와 5에서 나타나듯이 터널 내 방연 풍속이 부족하여 고온 공기의 상층이 환기 방향과 반대로 이동하는 현상은 역류(backlayering)이며 환기시스템에 의해서 연기의 역류 현상을 억제할 수 있는 최소 유속을 임계속도(critical velocity)라고 한다. Danziger와 Kennedy는 터널 설계시 경사보정 계수를 적용하여 식(2)(13)와 같이 임계속도를 구하였다. 식(2)와 식(3)은 NFPA 502에서 터널의 임계속도를 계산하는 식으로 적용하고 있다(14).
여기서, Vc는 임계속도를, Kg는 터널의 경사 보정계수, Frc는 임계 프루드수로 4.5이며, g는 중력 가속도, H는 터널 높이, Q는 화재 강도, ρo는 공기 밀도, Cp는 정압비열, A는 터널 단면적, Tf는 화점 온도, T0는 초기 공기 온도이다. 식(2)를 보면 임계속도는 화재강도에 따라 달라지는 것을 알 수 있으며 이에 역기류가 나타나는 Case의 경우, 역기류가 발생하기 시작하는 시간에 해당하는 화재강도와 시뮬레이션 대상 터널 조건을 식(2)와 식(3)에 대입하여 NFPA 502를 통해 반복 계산하였다(14). Tables 3과 4는 두 화재에 대해 역기류가 발생하기 시작하는 시간과 그 때의 열방출률, 임계속도를 계산하여 정리하여 나타낸 것이다.
Table 3
Time, HRR, and Critical Velocity of Backlayering Flow for 66 MW Fire
| Output Quantity | Case A | |||
|---|---|---|---|---|
| Case A-3 | Case A-4 | Case A-5 | Case A-6 | |
| Time (s) | 795 | 277 | 184 | 156 |
| Heat Release Rate (MW) | 63.32 | 27.86 | 9.43 | 3.55 |
| Critical Velocity (m/s) | 3.02 | 2.90 | 2.47 | 1.82 |
Table 4
Time, HRR, and Critical Velocity of Backlayering Flow for 119 MW Fire
| Output Quantity | Case B | |||
|---|---|---|---|---|
| Case B-3 | Case B-4 | Case B-5 | Case B-6 | |
| Time (s) | 409 | 166 | 142 | 126 |
| Heat Release Rate (MW) | 77.63 | 14.0 | 8.10 | 4.10 |
| Critical Velocity (m/s) | 3.03 | 2.69 | 2.36 | 1.91 |
또한, 임계풍속 산정기준은 CO 가스 거동을 기준으로 판별하며, 판별 방법은 화재 차량 앞부분 끝선보다 100 ppm 이상의 CO 농도가 상류에 존재할 때 역류 현상이 발생하는 것으로 간주한다(15). 이에 연기의 역류가 발생하는 두 화재의 Case에 대해 CO 농도가 100 ppm 이상에 도달하는 시점과 19 min에 해당하는 1140 s일 때 터널 중앙 단면에서의 CO 농도 분포를 나타내었다.
먼저 66 MW와 119 MW 두 화재 강도에 대해 연기 거동은 유사하게 나타난다. Case A-1, A-2와 Case B-1, B-2의 경우, 화재 발생 후 연기는 출구 방향으로 이동하여 최적의 대피공간을 확보할 수 있다. 이는 제트팬의 유량이 충분하여 방연 풍속이 임계속도보다 크기 때문이다. Case A-3의 경우, 화재 발생 후 초반에 연기 거동은 제트팬에 의해 출구 방향으로 이동하다가 약 798 s 후 터널 상부에 존재하는 연기가 반대인 입구 방향으로 이동하기 시작한다. 이때, 화원 부근 터널 단면에 대해 측정한 속도는 2.81 m/s로 임계속도인 3.02 m/s보다 약 6.95% 작게 나타났다. 또한, 시간이 지나면서 연기가 축적되어 하강하지 않았으며 1140 s에 거동을 보면 다시 출구 방향으로 이동하는 것으로 확인된다. Case B-3의 경우, 연기가 제트팬에 의해 출구 방향으로 이동하다가 화재 발생 약 414 s 후 터널 상부에서 연기가 입구 방향으로 이동하기 시작한다. 414 s 후 화원 부근 터널 단면에 대해 측정한 속도는 2.85 m/s로 약 5.94% 작게 나타났으며, 1140 s에는 연기가 입구 방향으로 이동하지만 약 1385 s에 다시 출구 방향으로 이동함을 확인하였다. 이는 터널 내 제트팬에 의한 방연 풍속과 임계속도와의 차이가 크지 않기 때문에 최대 열방출률에 도달하여 화재가 성장하기 시작하면 연기 생성이 많아 역류하며 이동하다가 시간이 지나면서 연기 생성이 작아져 방연 풍속이 임계속도보다 우세해지면서 강하게 작용할 수 있는 것으로 판단된다. Case A-4의 경우, 연기가 제트팬에 의해 출구 방향으로 이동하다가 화재 발생 약 297 s 후 터널 상부에서 연기가 입구 방향으로 이동하기 시작한다. 297 s 후 화원 부근 터널 단면에 대해 측정한 속도는 2.15 m/s로 임계속도인 2.90 m/s보다 약 25.8% 작게 나타났으며, 시간이 지나면서 1140 s에 거동을 보면 연기가 반대 방향으로 이동하지만 하강하지 않고 상부에만 축적되는 것을 확인하였다. 이에 약간의 역기류가 발생한 Case A-3, A-4와 Case B-3에 대해 1.8 m로의 연기 도달 여부를 확인하기 위해 온도, 가시거리를 통해 추가적인 검토가 필요하다고 판단된다. Case B-4의 경우, 화재 발생 약 177 s 후 연기가 입구 방향으로 이동하며 시간이 지나면서 연기가 축적되어 터널 하부에 연기가 도달하므로 연기를 흡입할 가능성이 있다고 판단된다. Case A-5의 경우에는 화재 발생 187 s 후 터널 내 방연 풍속이 1.27 m/s로 임계속도인 2.47 m/s보다 약 48.5%, Case A-6의 경우에는 화재 발생 159 s 후 터널 내 방연 풍속이 0.32 m/s로 임계속도인 1.82 m/s보다 약 82.4% 작게 나타났다. Case B-5의 경우에는 화재 발생 145 s 후 터널 내 방연 풍속이 1.09 m/s로 임계속도인 2.36 m/s보다 약 53.8%, Case B-6의 경우에는 화재 발생 127 s 후 터널 내 방연 풍속이 0.26 m/s로 임계속도인 1.91 m/s보다 약 86.4% 작게 나타났다. 이를 통해 Case A-5, A-6와 Case B-5, B-6 모두 터널 내 방연 풍속이 임계속도보다 작아 이미 많은 연기가 역류하는 것을 볼 수 있으며 이에 대피 공간을 확보할 수 없다고 판단된다. Case A-7, A-8과 Case B-7, B-8의 경우, 화재 발생 후 연기의 거동은 설치 간격이 증가하더라도 제트팬에 의해 계속해서 출구 방향으로 이동하였다.
다음으로 66 MW와 119 MW 두 화재 강도에 대해 CO 농도 분포도 유사하게 나타난다. Case A-3의 경우에는 연기의 역류가 발생했지만, CO 농도 분포에 있어서는 역류 현상이 발생하지 않았으며, Case B-3의 경우에는 약 1014 s에 100 ppm 이상의 CO 농도 분포가 나타났으나 1140 s에 화재 차량 앞부분 끝선에 대해 농도 변화가 나타나지 않음을 보였다. Case A-4의 경우에는 약 454 s에 역류 현상이 발생하며, 1140 s에도 역류 현상이 미세하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. Case A-5의 경우에는 약 318 s에, Case B-4의 경우에는 약 327 s에 역류 현상이 발생하며, CO 농도 분포는 유사하며 1140 s에도 계속해서 터널 상부에서 100 ppm 이상의 CO 농도 분포가 나타나는 것을 확인하였다. Case A-6의 경우에는 약 286 s에, Case B-5의 경우에는 약 265 s에, Case B-6의 경우에는 약 250 s에 역류 현상이 발생하며, 이후 1140 s에는 단면 전체에 대해 100 ppm 이상의 CO 농도가 분포하는 것으로 나타났다. Case A-7, A-8과 Case B-7, B-8의 경우, 연기 거동과 동일하게 CO 농도 분포 역시 설치 간격이 증가하더라도 역류 현상이 발생하지 않음을 확인하였다.
이는 터널에서 연기를 배출하는 데 있어서 제트팬 간격에 대한 영향보다는 제트팬 유량으로 인한 터널 내 방연 풍속의 영향이 더 우세하게 나타나는 것을 보여준다. 따라서 터널 내 방연 풍속이 임계속도보다 커야 연기를 효과적으로 제어할 수 있으므로 제트팬 유량이 설계 시 고려해야 할 중요한 요소라고 판단된다.
4.2 온도 및 가시거리 분포
터널의 경우, 호흡한계선인 높이 1.8 m에서 측정한 온도는 60 °C 이하, 가시거리는 5 m 이상이 되어야 안전성을 확보할 수 있다(16). Figure 8은 2개의 피난연결통로 사이 옥내소화전 간격인 50 m마다 호흡한계선인 높이 1.8 m에서 온도 및 가시거리를 측정한 위치를 나타낸 것이다. 그래프로 표시할 때 화원으로부터 50 m, 100 m, 150 m, 200 m. 250 m, 300 m 떨어진 지점을 첫 번째 구간(1-6)으로, 화원으로부터 350 m, 400 m, 450 m, 500 m. 550 m, 600 m 떨어진 지점을 두 번째 구간(7-12)으로 나누어 분석하였다.
4.2.1 온도
Figures 9와 10과 Figures 11～13은 각각 66 MW와 119 MW 화재에 대해 호흡한계선인 1.8 m에서 측정한 온도분포를 나타낸 것이다. Case A-1, A-2, A-3, A-4, A-7, A-8에 대해, Case B-1, B-2, B-3, B-7, B-8에 대해 측정한 모든 위치에서 온도는 20 °C를 유지하며 변화가 나타나지 않았다. Figures 9와 10을 보면 Case A-5, A-6에 대해, Figure 11을 보면 Case B-4에 대해 시간이 지남에 따라 온도가 증가하는 경향이 있지만 인명 안전 기준인 60 °C 이하를 유지하였다. 이는 66 MW 화재의 경우에는 모든 유량으로, 119 MW 화재의 경우에는 제트팬 설계유량이 50%까지 감소하여도 화원에서부터 열원이 피난연결통로로 이동하는 것을 막을 수 있으며 공급되는 풍속으로 뜨거운 연기를 충분히 밀어주어 호흡한계선인 1.8 m 높이에 대해서는 온도에 대한 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. Figure 12(a)를 보면 Case B-5인 경우에는 화원에서 100 m, 150 m 떨어진 지점에서, Figure 13(a)을 보면 Case B-6인 경우에는 화원에서 150 m, 200 m 떨어진 지점에서 온도가 60 °C 이상임을 확인하였다. 이는 제트팬 용량이 감소하면서 충분히 연기를 밀어내지 못해 터널 상층부에서부터 1.8 m에 뜨거운 연기가 축적되면서 연기층 두께의 증가되고 온도가 상승하는 것으로 판단된다. Figures 12(b)와 13(b)는 두 번째 구간으로 온도에 의한 영향이 나타나지 않았다. 이를 바탕으로 화원에서 300 m 떨어진 위치까지는 제트팬 유량의 감소가 온도 상승에 영향을 미치지만, 화원에서 300 m 이상으로 멀어진다면 터널 상층부에 연기층이 형성되어 1.8 m에 영향을 미칠 수 있는 온도에 도달하지 않음을 확인하였다.
4.2.2 가시거리 분포
Figures 14와 15와 Figures 16～18은 각각 66 MW와 119 MW 화재에 대해 호흡한계선인 1.8 m에서 측정한 가시거리 분포를 나타낸 것이다. Case A-1, A-2, A-3, A-4에 대해, Case B-1, B-2, B-3에 대해 측정한 모든 위치에서 최대 가시거리인 30 m를 확보한다. 또한 두 번째 구간인 V7-V12에 있어서는 Case A-6, B-6를 제외한 모든 유량에서 30 m의 가시거리를 확보한다. 이는 충분한 공기 공급이 가능하여 연기 제어가 효과적이며 대피하는 데 어려움이 없음을 의미한다. 또한 4.1절에서 언급했듯이 Case A-3, A-4의 경우와 Case B-3의 경우, 제트팬 유량의 감소로 연기가 입구 방향으로 이동하지만 연기가 하강하지 않고 상부에만 존재하였는데, 가시거리를 통해 안전성을 확보할 수 있음을 확인하였다.
도로터널 화재시 대피 시간은 감지시간, 반응/결정시간, 이동시간을 구분하여 이들의 합을 대피 시간으로 한다(2). 안전성을 확보하기 위해서는 화재시 최대로 걸릴 수 있는 시간을 고려해야 한다. 감지시간은 터널에 설치되는 화재탐지설비 및 경보설비의 성능 또는 신속성을 반영하여 결정하기 때문에 일반적으로 잘 관리되는 터널에서는 2-5 min 정도 소요된다고 보고되며(17) 본 연구에는 5 min (300 s)을 적용하였다. 차량을 버리고 대피를 결정하는 시간은 대략 0.5-5 min 정도로 보고되며(17) 위치, 차량마다 다르게 나타날 것이므로 본 연구에는 중간값인 2.75 min (165 s)을 적용하였다. 마지막으로 안전지역으로 이동하는 시간을 계산하기 위해 교통약자를 기준으로 하여 최대 0.6 m/s(2)를 본 연구의 보행속도로 적용하였으며 50 m를 이동하는데 걸리는 보행시간은 83.3 s이다. 여기서, 반응 지연시간은 보행이 일어나기 전까지 걸리는 시간으로 감지시간과 반응/결정시간을 합한 465 s로 나타난다.
Figures 14와 15는 66 MW 화재 발생시 인명 안전 기준에 도달하는 경우이다. Figure 14(a)에 나타난 바와 같이 Case A-5에 있어서는 화원에서 100 m 떨어진 지점에서 화재 발생 약 700 s 후 인명 안전 기준인 5 m 이하에 도달한다. 이를 바탕으로 반응 지연시간과 보행속도를 고려했을 때 100 m 이동에 걸리는 보행시간은 약 166.7 s로 대략 631.7 s의 대피시간이 소요될 것이지만 연기로 인한 보행속도 감소를 고려한다면 안전성을 확보하기에 어려울 수 있다고 판단된다. Figure 15를 보면 Case A-6에 있어서는 측정한 모든 위치에서 인명 안전 기준인 5 m에 도달하는 것을 확인하였다. Figures 16～18은 119 MW 화재 발생시 인명 안전 기준에 도달하는 경우이다. Figure 16(a)에 나타난 바와 같이 Case B-4에 있어서는 화원에서 100 m 떨어진 지점에서 화재 발생 약 950 s 후 인명 안전 기준인 5 m 이하에 도달한다. 이를 바탕으로 반응 지연시간과 100 m 이동에 걸리는 보행속도를 계산하면 대략 631.7 s의 대피시간이 소요될 것으로 예상되며 인명 안전 기준에 도달하는 시간인 950 s와 비교하였을 때 약 33.5% 빠르게 나타나며 이에 충분한 대피시간을 확보할 수 있다고 판단된다. Figure 17(a)에 나타난 바와 같이 Case B-5에 있어서는 화원에서 100 m 떨어진 지점에서 화재 발생 약 500 s 후에, 150 m 떨어진 지점에서 약 580 s 후에, 200 m 떨어진 지점에서 약 750 s 후에, 250 m 떨어진 지점에서 약 880 s 후에 인명 안전 기준인 5 m 이하에 도달하였다. 100 m 이동에 걸리는 보행시간은 166.7 s, 150 m 이동에 걸리는 보행시간은 250 s, 200 m 이동에 걸리는 보행시간은 333.3 s, 250 m 이동에 걸리는 시간은 416.7 s로 나타난다. 여기에 반응 지연시간과 연기로 인한 보행속도 감소를 고려한다면 각각 대피시간이 631.7 s, 715 s, 798.3 s, 881.7 s 이상 걸릴 것으로 예상되어 충분한 대피시간을 확보하기에 어려움이 발생할 수 있다고 판단된다. Figure 18을 보면 Case B-6에 있어서는 측정한 모든 위치에서 인명 안전 기준인 5 m에 도달하는 것을 확인하였다. 또한, 설치 간격이 240 m, 320 m인 경우 측정한 모든 위치에서 최대 가시거리인 30 m를 확보하였다. 이에 제트팬 간 설치 간격이 160 m에서 240 m, 320 m로 증가하면 터널 내 제트팬 대수가 11대에서 각각 7대, 5대로 줄어들지만, 가시거리에 영향을 미치지 않는 것으로 보아 가시거리는 설치 간격의 영향보다는 한 대당 용량이 연기를 충분히 밀어줄 수 있는지에 대한 영향이 지배적이다.
5. 결 론
본 연구에서는 장대터널 내 화재 발생 시 적절한 제연설비 확보를 위해 화재 시뮬레이션을 이용하여 제트팬 용량 및 설치 간격 변화가 연기 거동, CO 농도, 온도, 가시거리에 미치는 영향을 검토하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
1) 현재 적용되는 설계유량인 37 m3/s는 66, 119 MW 화재에도 충분히 대응할 수 있는 유량이며, 설계유량의 80%에 해당하는 경우에도 모든 위치에서 최대 가시거리인 30 m를 확보할 수 있고 역기류가 발생하지 않는 것으로 보아 충분한 제연 효과를 가진다고 판단된다.
2) Case A-3과 Case B-3의 경우 각각 798 s, 414 s 후 터널 내 방연 풍속이 임계속도보다 약 6.95%, 5.94% 작게 나타나면서 터널 내 연기가 입구 방향으로 이동하는 것을 확인하였으나 이후 다시 출구 방향으로 이동하며, CO 농도 분포에 있어서는 Case A-3은 역류 현상이 나타나지 않았고, Case B-3은 1014 s 후 상부에 100 ppm 이상의 농도가 측정되었다. 하지만, 1.8 m에서 가시거리와 온도를 측정한 결과 모든 위치에서 인명 안전 기준에 도달하지 않으므로 안전성을 확보할 수 있다고 판단된다.
3) Case A-4과 Case B-4의 경우, 각각 297 s, 177 s 후 터널 내 연기가 입구 방향으로 이동하기 시작하며, CO 농도 분포에 있어서는 Case A-4는 454 s, Case B-4는 177 s 후 역류 현상이 발생하여 계속해서 100 ppm 이상의 농도가 측정되었다. 하지만, Case A-4의 경우 1.8 m에서 가시거리와 온도를 측정한 결과 모든 위치에서 인명 안전 기준에 도달하지 않았다. Case B-4의 경우 1.8 m에서 가시거리와 온도를 측정한 결과 온도는 모든 위치에서 인명 안전 기준에 도달하지 않았고, 가시거리는 화원에서 100 m 떨어진 지점에서 화재 발생 950 s 후 인명 안전 기준인 5 m에 도달하지만 보행속도를 고려한다면 대피시간을 확보할 수 있다고 판단된다.
4) 제트팬 간 설치 간격 160 m를 80 m, 160 m 증가시킨 240 m, 320 m의 경우 결과에 있어서 차이가 나타나지 않았다. 이는 제트팬 한 대가 가지는 유량이 연기를 밀어내기에 충분하다면 설치 간격이 증가하더라도 연기 거동, CO 농도, 가시거리, 온도 등에 있어서 영향을 미치지 못하는 것으로 보인다.
5) 본 연구는 터널 화재시 다른 차량으로의 화염 전파, 그로 인한 화재 확대, 차량 정체 등과 같은 상황을 고려하지 않은 일반적인 결과로 해당 상황들을 반영하여 화재를 해석하는 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
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