A Research for Preventing Smoke Diffusion in Case of Fire in Great Depth Underground Double-Deck Tunnel

대심도 복층터널 화재 시 연기확산 방지 연구

양용원¹⁾* · 문정주¹⁾· 신태균¹⁾

A Research for Preventing Smoke Diffusion in Case of Fire in Great Depth Underground Double-Deck Tunnel

Yongwon Yang

_*

(Received 9 March 2016; Final version Received 18 April 2016; Accepted 14 April 2016)

Abstract : Increased in vehicles and developed subcenter have caused the traffic congestions in the roads. Great depth underground double-deck tunnel has been designed to solve this problem, which is mainly only for the compact cars with low height and small cross section. There is a possibility of the damage for humans in case of fire in the tunnels. Therefore, the study, the delay effect of the fire smoke diffusion in accordance with the tunnel block area for the development of the delay system for fire smoke diffusion as a method of minimum of the damage for humans in case of fire in the tunnels has been analyzed. In case the delay system for fire smoke diffusion runs, the larger block area increased the delay of smoke diffusion up to 600 seconds and it is expected that the larger block, in turn, will increase the reduction efficiency of the damage for humans.

Key words : Great depth underground double-deck tunnel, Delay system for fire smoke diffusion, Smoke, Fire 요 약 : 도로는 차량 증가 및 부도심의 발달로 교통 정체가 발생되고 있다. 이를 해결하기 위한 방안으로 대심도 복층터널에 대한 설계가 계획되고 있지만 주로 소형차 전용으로써 터널 높이가 낮고 단면이 작아 화재 발생시 인명피해가 발생될 경우가 높다. 따라서, 본 연구에서는 대심도 복층터널의 화재시 인명피해 발생 최소화 방안으 로 화재연기 확산지연설비 개발을 위한 터널 차단면적에 따른 화재연기 확산지연 효과를 분석하였다. 화재연기 확산지연설비 작동시 차단면적이 커질수록 최대 600초까지 화재연기가 지연되었으며, 차단면적이 커질수록 인 명피해발생 저감 효과가 커질 것으로 예측되었다.

주요어 : 대심도 복층터널, 화재연기 확산지연설비, 연기, 화재

1) 유원컨설턴트(주)

*Corresponding Author( 양용원) E-mail; [email protected]

Address; #311, Seoulsup Kolon Digital Tower(#1) 308-4, Seongsu-dong2-ga, Seongdong-gu, Seoul, Korea

서 론

최근 도로터널 분야에 있어 국내외적으로 단연 이슈가 되는 것은 대심도 및 복층터널이라고 할 수 있다. 이미 유럽 이나 중국 등에서는 최근 공사중이거나 계획하고 있는 복 층터널이 다수 있으며, 이러한 복층터널의 주요 특징은 교 통수요가 많은 도심지에 대심도로 계획되었다는 것이다.

현재 국내의 경우에는 서울시에서 주도하여 계획된 U-Smartway 사업의 기본계획은 복층터널로 계획되어 있 으며, U-Smartway 사업의 주요한 또 하나의 특징은 네트워 크형 지하도로로 기본계획에 의하면 6개의 노선이 지하 약

40 ～60 m 대심도에서 JCT에 의해 연결되어 총 연장 149 km 로 건설되는 것으로 계획되었다(Urban Future Engineering and Construction, 2014).

국내외 사례를 분석한 결과, 대심도 터널은 교통량이 많 고 지 ․ 정체 현상의 발생비율이 높은 도심지에계획되고, 이 용수요가 가장 높은 소형차 전용 복층 형태의 특수한 형상 으로 계획되므로 토목 공사비를 절감할 수 있어 경제성 향 상으로 이어질 수 있다(Park and Jo, 2010; Park et al., 2010).

그러나, 소형차 전용 터널은 터널의 단면이 작고, 터널의 높 이가 낮아 터널 내부에서 화재사고 발생 시에 화재연기의 전파가 전 차종이 이용하는 일반 터널에 비해 월등히 빠른 속도로 전파되어, 터널 이용객이 안전구역으로 이동하는 데 소요되는 대피시간보다 화재연기의 전파시간이 짧아 화 염에 의한 질식등의 피해가 발생될 위험이 매우 높다.

따라서, 복층터널과 같은 특수한 형태의 터널에서는 화

재사고시 화재연기가 확산되는 시간을 지연시켜주어 터널

연구논문

Fig. 1. Tunnel Cross Section.

Facility limit line 3.001 m 3.001 m

Duct area 4 m

5 m

Slope 0.5%

(a) Case1 (b) Case2

(c) Case3 (d) Case4

Fig. 2. Scenarios for the analysis.

Table 2. Scenarios for the analysis

Classification Blocking rate (%)

Case1 0 m

(0%)

Case2 6.56 m

(17.5%) Case3 18.66 m

(50.0%) Case4 29.85 m

(80.0%) 되어 있지 않아, 국내에서 기계획된 소형차 전용 터널이나

서울시 U-Smartway 사업에서는 화재연기 확산지연설비 에 대해 적용하고 있지 않고 있는 실정이다.

그러나, 유럽에서는 UPTUN Project(Bergmeister, 2005) 및 오스트리아 일부 터널에서는 화재연기의 확산을 지연시 킬 수 있는 시설에 대해 실물실험 및 학술적인 연구 사례 (Bettelini and Rigert, 2012; Seifer et al., 2012)가 있으며, 오스트리아의 Katschbeg Tunnel(Öttl and Almbauer, 2002;

Öttl et al., 2002)에는 터널 내 풍속을 저감시켜 화재연기의 확산속도를 낮추는 설비가 실제 설치되어 운영되고 있다.

따라서, 본 연구에서는 국내의 도로터널의 기존 방재시 설 현황과 화재시 시설 운영 특성에 맞는 화재연기 확산지 연설비 개발을 위하여 터널 내 화재사고 발생 시 화재연기 확산지연설비 가동시 터널 차단 면적에 따른 지연 효과를 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)을 이용하 여 분석하였다.

본 론

수치해석 조건

본 연구 수치해석에 사용된 터널 제원은 대심도 복층터 널 단면을 이용하여 수행하였고 그 단면 형상은 Fig. 1과 같 으며 기본적인 터널 제원 Table 1에 나타내었다.

본 연구에 사용된 화재강도는 도로설계편람(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2011) 및 도로터널 방 재시설 설치 및 관리지침(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2009) 에서 규정하는 터널설계화재강도 인 버스 1대가 전소할 때 발생하는 20 MW 화재강도를 적 용하였다. 또한 대심도 복층터널 내에 화재 시 화재연기 확 산지연설비가 작동 되었을 경우 터널 차단면적에 따른 화

재연기 확산저감 효과를 분석하기 위해 차단막의 차단면적 크기를 4가지로 변화시켜 수치해석을 진행하였으며, 첫 번 째 화재연기 확산지연설비가 없는 경우, 두 번째 화재연기 확산지연설비가 작동하였을시 시설한계선(높이 3.001 m) 을 미침범하여 터널을 차단하는 경우, 세 번째 화재연기 확 산지연설비가 터널면의 50%를 차단하는 경우, 네 번째 화 재연기 확산지연설비가 터널면의 80%를 차단하는 경우 각 기 다른 차단면적을 적용하였을 시 화재연기확산 저감효과 를 분석하였다(Fig. 2, Table 2).

수치 해석 모델링과 격자

수치해석을 위한 터널모델링은 대심도 복층터널의 단면

중 하층 하행방향을 2 km 연장으로 모델링 하였고, 상부 콘

크리트 덕트는 배기부분만 모델링 하였으며, 화재지점은

터널 중앙부(1 km지점)로 하였다. 배기댐퍼는 집중배연이

Table 5. Input Conditions

Classification Application Model Flow Pattern Unsteady State Condition State of Flux Incompressible Ideal Gas Turbulence Models k- ε Realizable Model (a) Stereoscopic View

(b) Top View

(c) Zoom in View Fig. 3. View of Modeling.

Fig. 4. Modeling of Fire.

Table 3. Carbody Design Standard

Classification Length Width Height Passenger Car 4,340 mm 1,680 mm 1,440 mm

Fig. 5. Grid of Tunnel

Table 4. Number of Calculating Grid

Classification Cells Faces Nodes Case1 1,502,891 3,169,079 336,986 Case2 1,497,298 3,156,470 335,448 Case3 1,499,188 3,160,614 335,901 Case4 1,499,438 3,161,580 336,129

가능하도록 화원을 기준으로 300 m 구간에 50 m 간격으로 배기댐퍼 사이즈를 2 m×2 m로 모델링 하였고 화재연기 확 산지연설비는 집중배연 300 m구간 앞 ․ 뒤로 25 m 떨어진 지점에 설치하여 Fig. 3과 같이 모델링 하였다.

CO 발생량을 결정짓는 요소인 화원은 도로설계편람 (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2011) 차 종별 차량제원의 승용차 차체규격 Table 3을 기준으로 승 용차 양옆에 너비 1,000 mm의 크기로 Fig. 4와 같이 모델링

하였다.

격자생성은 Fig. 5와 같이 Tetra mesh로 충분한 계산 격 자를 생성하였으며 계산 격자수는 각 조건별로 Table 4에 나타내었다.

수치 해석 방법 및 경계조건

수치해석은 상용프로그램인 Ansys사의 Fluent를 이용 하여 3차원 수치해석을 진행하였다. 연산상태는 화재발생 경과시간에 따른 연기 확산 저감효과를 터널 차단 면적에 따라 분석하기 위해 비정상상태(Unsteady State Conditon) 에서 수행하였으며, 난류모델은 k-ε 난류모델을 사용하였 다(Table 5).

화재의 성장은 2차함수에 의하여 적용하였고 자세한 사

항은 Fig. 6 및 Table 6(Yoo and Kim, 2013; Oh et al., 2013)

에 표시하였다. CO발생량은 최대 0.1025 kg/s를 적용하였

으며 시간에 따른 발생량은 Fig. 7에 나타내었으며 터널 입 ․

출구부 경계조건은 압력경계조건(Pressure outlet condition)

으로 적용하였고, 횡류식 집중배연을 모사하기 위해 덕트

( 면적 5 m

, 배연풍량 150 m

/s) 면 최대풍속 기준인 15 m/s

풍속을 Velocity inlet 조건을 적용하였으며 해석시간은

1 초 간격으로 600초까지 해석하였다.

Fig. 8. Blocking Rate 0% - CO Concentration

Fig. 9. Blocking Rate 17.5% - CO Concentration

Fig. 10. Blocking Rate 50% - CO Concentration Fig. 6. Fire Growth Curve

Fig. 7. Carbon Monoxide Growth Curve

Table 6. Fire Growth Rate

Heat Release Rate (MW) 20 MW

Fire Load (GJ) 41

Growth Rate (α) 0.1

Damping Ratio ( β) 0.002

Growth Time (Sec) 450.0

Holding Time (Sec) 1,402

해석결과

터널 차단면적에 따른 연기확산 저감효과 분석은 도로설

계편람(Ministry of Land, Infrastructure and Transport,

2011) 의 연기역류현상 분석시 적용되는 CO농도 100 ppm

기준으로 화재연기 확산지연 장치 구간을 벗어나는 시간을

기준으로 분석하였으며 그 결과는 Fig. 8～Fig. 11에 나타

냈다. 화재연기는 화재가 발생한 초기에는 집중배연 구간

에서 배연이 전부 이루어지지만 시간이 지남에 따라 점차

연기가 집중배연구간을 벗어나 터널 내로 전파되었으며,

이때 화재연기 확산지연설비의 유 ․ 무와 차단면적에 따라

연기 확산이 지연되는 것으로 나타났다. 화재연기 확산지

연설비가 없는 경우에 390초에, 시설한계선을 미침범하여

차단되는 경우에는 430초에, 터널 면적의 50%를 차단하는

경우에는 450초에 벗어났으며, 터널 면적의 80%를 차단하

는 경우에는 600초가 지나도 화재연기 확산지연설비 구간

을 벗어나지 않는 것으로 분석되었다.

Fig. 11. Blocking Rate 80% - CO Concentration

Table 7. Analysis Result

Classification Fire smoke delay time

Case1 390 sec

Case2 430 sec

Case3 450 sec

Case4 600 sec or over

결 론

현재 국내에서는 도심지 지 ․ 정체 해소를 위한 대심도 복 층터널 계획이 활발히 이루어지고 있다. 그러나 대심도 복 층터널은 소형차 전용터널로 계획되다 보니 단면이나 높이 가 일반터널보다 작고 낮아 화재시 인명피해가 발생할 가 능성이 높다. 이러한 대심도 복층터널에서의 화재시 인명 피해를 최소화 방안으로 화재연기 확산지연설비 개발을 위 한 터널내 차단면적에 따른 화재연기 확산지연 효과를 분 석하기 위해 3차원 수치해석을 수행하였다.

대심도 복층터널에 화재연기 확산지연설비 작동시 터널 차단면적에 따른 연기확산 저감효과를 분석한 결과 대심도 복층터널 내 화재연기 확산지연설비가 없는 경우에는 390 초, 화재연기 확산지연설비가 시설한계선을 미침범하여 차단하는 경우 430초, 화재연기 확산지연설비가 터널면적 의 50%를 차단하는 경우 450초에 벗어났으며, 화재연기 확산지연설비가 터널면적의 80%를 차단하는 경우에는 600 초 후에도 화재연기가 집중배연구간을 벗어나지 않는 것으로 분석되었다(Table 7). 화재연기 확산지연설비가 터 널을 차단하는 면적이 커질수록 화재연기가 느리게 집중배 연구간을 벗어났으며, 터널면적의 80%를 차단하였을 시

에는 화재연기 확산지연설비 구간을 벗어나지 않는 것으로 분석되었다. 따라서 화재연기 확산지연설비를 대심도 복 층터널에 적용시 터널 내에 화재가 발생하였을 경우 대피 자들의 피난시간에 도움을 주는 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 터널 내 풍속이 0인 경우에 대하여 분석을 하였지만 향후 터널 내 풍속조건에 따른 시스템의 성능효 율을 추가검토할 예정이며, 또한 터널 내 화재연기 확산지 연장치구간은 연기의 하강속도가 빠를것으로 예상되므로 추후 연구를 지속하면서 터널 대피자의 대피시간과 연기의 하강높이를 같이 분석하는 것으로 계획하고 있다.

사 사

본 연구는 국토교통부(국토교통과학기술진흥원) 2014 년 건설기술연구사업의 ‘대심도 복층터널 설계 및 시공 기 술개발(14SCIP-B088624-01)’ 연구단을 통해 수행되었습 니다. 연구지원에 감사드립니다.

References

Bergmeister, K., 2005, UPTUN, Workpackage 6, Fire effects and tunnel performance : system response D62.

Bettelini, M., Rigert, S. and Seifert, N., 2012, “Flexible Devices For Smoke Control IN Road Tunnels.” 6

International Conference Tunnel Safety and Ventilation, Graz, Austria, April 23-25 pp. 265-300.

Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2011, Road Design Handbook 2011 Edition, pp. 617-14, 618-30.

Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2009, Road Tunnel Disaster Prevention Facility Installation and Management Guideline 2009 Edition, p. 70.

Öttl, D., Almbauer, R., Öttl, W., Sturm, P. and Thurner, A., 2002, “A New System to Reduce The Velocity Of The Air Flow In The Case Of Fire,” International Conference Tunnel Safety and Ventilation, Graz, Austria, April 8-10, pp. 279-286.

Park, S.S., Jo, Y.J., Park, M.C. and Shim, J.M., 2010, “A Design of Korea's First Deep Double-deck Tunnel for light vehicles.” Yooshin Journal, Vol. 17, No. 1, pp. 169-183.

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Yoo, J.O., Kim, H.G. and Oh, B.C., 2013, “A numerical

study on the characteristics of the smoke movement and

the effects of structure in road tunnel fire,” Korean

Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 15,

No. 3, pp. 289-300.

현재 유원컨설턴트(주) 부장 (E-mail; [email protected]) 현재 유원컨설턴트(주) 차장

(E-mail; [email protected])

신 태 균

2007년 연세대학교 공학대학원 방재안전 관리

현재 유원컨설턴트(주) 대표이사 (E-mail; [email protected])