교통환기력을 고려한 종류식 도로터널의 제연설비 성능검증 방안에 대한 연구 = A Study on the Performance Verification Method of Smoke Control Facility of a Longitudinal Road Tunnel Considering Traffic Ventilation Force

국문 초록 (Abstract)

도로터널에 설치되는 제연설비는 도로터널에서 발생 가능한 재해 중 터널 붕괴를 제외하고 가장 위험한 상황인 화재를 대비하기 위한 설비로써 화재 상황을 대처하기 위한 가장 근본적이고 기본적인 설비라 할 수 있다. 하지만, 도로터널에 설치된 제연설비는 터널 준공 당시 설치 이후 육안점검(조임 및 체결상태, 부식에 관한 육안체크 등) 및 기초적인 작동점검 등의 비교적 간단한 유지관리만 진행되고 있는 실정이다.
하지만, 제연설비가 설치되고 시간이 경과됨에 따라 제연설비가 발휘할 수 있는 성능이 저하될 우려가 있고, 이에 대한 정량적인 검증방법이 필요한 실정이다. “도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지침”에서도 이를 우려하여 제연설비의 성능검증을 마련하고 제연설비의 성능저하를 방지할 수 있도록 관리적인 측면을 규정하고 있으나, 상세한 방법이 제시되어있지 않고, 도로터널의 제연성능을 검증 및 평가하기 위하여 고려해야할 요소(교통환기력, 자연풍, 환기저항계수 등)에 대하여 명확한 언급이 없어 도로터널 제연설비의 정량적인 검증방안의 마련이 필요하다.
도로터널의 제연능력과 관련된 연구는 현재 국내·외에서 다양한 분야에서 활발하게 진행 중이다. 대부분의 연구는 도로터널의 제연방식에 따른 종류식, 횡류식의 제·배연 특성에 대한 연구가 주류를 이루고 있으며, 벽면마찰계수, 자연풍 등의 도로터널 내 공통적인 고려인자에 대한 연구 역시 활발히 진행 중이다. 반면, 도로터널 제연설비의 성능검증과 관련된 사항은 현행 “도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지침”에 개정되어 신설된 2016년 이후 상세한 연구는 전무하다. 하지만 관련 규정에 의해 의무적으로 수행되어야 하는 사항임에도 불구하고 학술적인 연구가 상대적으로 미비하여 공학적인 접근에 따라 발생 가능한 사항을 분석하고 제도개선을 할 수 있는 연구가 필요한 것으로 분석된다.
본 연구에서는 운영중 종류식 도로터널 제연설비의 성능검증을 수행하기 위하여 도로터널에 적용되고 있는 압력평형식을 기반으로 5가지에 대한 제연설비의 성능검증 방안을 제시하였으며, 8개 터널에 대한 실험 측정을 통해 도출된 제연설비의 성능검증 방안을 적용 및 결과분석을 통해 적정한 운영중 종류식 도로터널 제연설비의 성능검증 방안을 도출하였다. 본 연구에 따른 결과를 요약하면 다음과 같다.

1. 도로터널의 전체 단면에 유도되는 풍속에 대한 검토를 통해 평균풍속이라 판단될 수 있는 영역을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 일방향 2차로 터널에서 평균풍속은 터널 바닥으로부터 높이방향 3m의 중앙점을 기준으로 폭방향으로 4.3m 이격된 위치에서 나타나는 것으로 분석되었다. 해당 위치는 실제 도로터널에서 유지관리를 위해 설치되는 공동구를 벗어나 최외곽측 주행차로의 중앙부근으로 판단된다.
2. 운영중 종류식 도로터널 제연설비의 성능검증을 방안을 마련하기 위하여 도로터널에 적용 중인 압력평형식을 기반으로 교통환기력의 고려 유무, 교통환기력의 변화여부 등에 따라 총 5가지에 대한 제연설비의 성능검증 방안을 마련하였다.
· 방안1 : 기본형(교통환기력을 고려하지 않는 경우)
· 방안2 : α형(교통환기력 변화가 없는 경우)
· 방안3 : β-1형(Jet-Fan 풍속증가에 따른 교통환기력 감소효과를 고려한 경우)
· 방안4 : β-2형(Jet-Fan 풍속증가에 따른 교통환기력 감소효과를 제트팬 대당 승압력으로 고려한 경우)
· 방안5 : β-3형(Jet-Fan 풍속증가에 따른 교통환기력 감소효과를 임계풍속 환산에 따른 제트팬 승압력으로 고려한 경우)
3. 8개소의 운영중 도로터널에 실험 및 측정을 통해 도출된 5가지의 운영중 종류식 도로터널의 제연설비 성능검증 방안을 적용하고 분석하였다. 분석결과 운영중 종류식 도로터널에 적정한 검증방안은 풍속증가에 따른 교통환기력의 감소효과를 제트팬 대당 승압력으로 고려한 β-2형이 적정한 것으로 판단되었다.
본 연구에서 도출한 운영중 종류식 도로터널 제연설비의 성능검증 방안에 대하여 현행 관련 규정에서 의무적으로 수행하고 있는 도로터널 제연설비의 성능검증에 보다 공학적인 접근을 통한 분석에 기여하고, 화재시 도로터널의 인적, 물적 피해를 최소화 하고 향후 보다 안전한 도로터널 환경조성에 이바지 하고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Smoke control equipment installed in road tunnels is equipment to prepare for fire, which is the most dangerous disaster that can occur in road tunnels, excluding tunnel collapse, and can be said to be the most fundamental and basic equipment to deal with fire situations. However, the smoke control equipment installed in the road tunnel is only undergoing relatively simple maintenance such as visual inspection (visual inspection of tightening and fastening status, corrosion, etc.) and basic operation inspection after installation at the time of tunnel completion.

However, there is a risk that the performance of the smoke control equipment may decrease as time passes after the smoke control equipment is installed, and a quantitative verification method for this is needed. Concerning this, the “Road Tunnel Disaster Prevention and Ventilation Facilities Installation and Management Guidelines” establishes performance verification of smoke control equipment and stipulates management aspects to prevent performance degradation of smoke control equipment, but no detailed method is provided. There is no clear mention of the factors to be considered in order to verify and evaluate the smoke control performance of road tunnels (traffic ventilation power, natural wind, ventilation resistance coefficient, etc.), so it is necessary to prepare a quantitative verification method for road tunnel smoke control equipment.

Research related to the smoke control capacity of road tunnels is currently being actively conducted in various fields both domestically and internationally. Most research is focused on the ventilation and smoke control characteristics of vertical and cross-flow ventilation systems according to the ventilation method of road tunnels, and research on common factors considered in road tunnels such as wall friction coefficient and natural wind is also actively conducted. It's in progress. On the other hand, there has been no detailed research on matters related to performance verification of road tunnel smoke control facilities since 2016, when the current “Road Tunnel Disaster Prevention and Ventilation Facility Installation and Management Guidelines” were revised and newly established. However, although it is a matter that must be performed compulsorily according to related regulations, academic research is relatively insufficient, and it is analyzed that research that can analyze possible issues and improve the system according to an engineering approach is needed.

In this study, in order to verify the performance of vertical road tunnel smoke control equipment during operation, a performance verification method for five types of smoke control equipment was presented based on the pressure balance equation applied to road tunnels, and experiments were conducted on eight tunnels. By applying the performance verification method of the smoke control system derived through measurement and analyzing the results, a performance verification method of the vertical road tunnel smoke control system during appropriate operation was derived. The results of this study are summarized as follows.

1. By examining the wind speed induced across the entire cross section of the road tunnel, the area that can be judged to be the average wind speed was analyzed through simulation. It was analyzed that the average wind speed in a one-way two-lane tunnel occurs at a location 4.3m apart in the width direction based on the center point 3m in the height direction from the bottom of the tunnel. The location is judged to be near the center of the outermost driving lane, outside the common tunnel installed for maintenance in an actual road tunnel.

2. In order to prepare a plan to verify the performance of vertical road tunnel smoke control equipment during operation, a total of 5 types of smoke control equipment are installed based on the pressure balance formula being applied to road tunnels, depending on whether traffic ventilation power is considered and whether traffic ventilation power is changed. A performance verification plan was prepared.
· Plan 1: Basic type (when traffic ventilation is not considered)
· Plan 2: Type α (when there is no change in traffic ventilation)
· Plan 3: Type β-1 (when considering the effect of reducing traffic ventilation due to increase in jet-fan wind speed)
· Method 4: Type β-2 (when the effect of reducing traffic ventilation due to increase in jet-fan wind speed is considered as the pressure boosting power per jet fan)
· Method 5: Type β-3 (when considering the effect of reducing traffic ventilation due to an increase in jet-fan wind speed into the jet fan pressure boosting force according to critical wind speed conversion)

3. Five types of smoke control facility performance verification methods for operational type road tunnels derived through experiments and measurements were applied and analyzed to eight operational road tunnels. As a result of the analysis, it was determined that the appropriate verification method for a vertical road tunnel during operation is the β-2 type, which considers the effect of reducing traffic ventilation due to increase in wind speed through the pressure boosting power per jet fan.

Regarding the performance verification plan of the in-operation vertical road tunnel smoke control system derived from this study, it contributes to the analysis through a more engineering approach to the performance verification of the road tunnel smoke control system, which is mandatory under the current related regulations, and to the analysis of the road tunnel smoke control system in case of fire. We aim to minimize human and material damage to tunnels and contribute to creating a safer road tunnel environment in the future.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구배경 및 필요성 1
• 2. 관련 선행연구 분석 3
• Ⅱ. 도로터널 현황 및 제연설비 성능검증 기준 검토 4
• 1. 도로터널 현황 및 사고사례 4
• 1) 도로터널 현황 4
• 2) 도로터널 사고사례 8
• 2. 도로터널 제연설비 성능검증에 대한 기준 검토 16
• Ⅲ. 도로터널 관련 이론 검토 17
• 1. 도로터널 내 작용 환기력 이론 17
• 1) 벽변마찰력 17
• 2) 교통환기력(Pistion Effect) 17
• 3) 자연환기력 18
• 4) 제트팬 승압력(기계환기력) 19
• 2. 도로터널 화재시 임계풍속 19
• 1) 임계풍속의 개요 및 기본개념 19
• 2) 임계풍속 산정식 20
• 3) 관련기준상 임계풍속 산정방법 20
• Ⅳ. 도로터널 제연설비 성능검증 측정방법 도출 22
• 1. 도로터널 풍속측정 방법과 대표풍속 산정 22
• 1) 도로터널 풍속측정의 기본 가정 22
• 2) 도로터널 풍속 측정 방법 25
• 2. 도로터널 벽면마찰계수산정 방법 27
• 1) 속도감쇄법에 따른 벽면마찰계수 추정 27
• 2) 준정상류 상태를 가정한 속도감쇄법을 이용한 벽면마찰계수 추정 29
• 3) 외부자연풍의 변화를 고려한 동적 시뮬레이션 기법 33
• 3. 도로터널 제연설비 성능검증 방안 도출 36
• 1) 기본형 : 교통환기력을 고려하지 않는 경우 36
• 2) α형 : 교통환기력과 자연환기력의 변화가 없는 경우 39
• 3) β-1형 : 풍속증가에 따른 교통환기력의 감소영향을 고려한 경우 41
• 4) β-2형 : 풍속증가에 따른 교통환기력의 감소영향과 제트팬 대당 승압력을 고려한 경우 45
• 5) β-3형 : 풍속증가에 따른 교통환기력의 감소영향과 임계풍속 환산에 따른 제트팬 승압력을 고려한 경우 49
• 6) 도로터널 제연설비성능검증 안별 평가방법 전체 흐름도 53
• 7) 도로터널 제연설비성능검증 안별 평가방법-예시(Vt:100km/hr) 54
• Ⅴ. 도로터널 제연설비 성능검증 방안에 대한 분석 및 검토 65
• 1. 도로터널 제연설비 성능검증 분석 방법 65
• 1) 도로터널 제연설비성능검증 평가 대상 선정 65
• 2) 도로터널 제연설비 성능검증를 위한 측정 방법 66
• 2. 도로터널 제연설비 성능검증 방안별 수행 결과 73
• 1) A터널 73
• 2) B터널 78
• 3) C터널 83
• 4) D터널 88
• 5) E터널 93
• 6) F터널 98
• 7) G터널 103
• 8) H터널 108
• Ⅵ. 결 론 114
• 참고문헌 115