2.1 측정대상 터널 선정 및 기본정보 조사

국도 터널 현황 파악을 위해 전체 국도터널 499개소의 기본정보를 조사하여 99개소의 측정대상을 선정하였다. 국도터널 499개소에 대해 조사한 기본정보는 국토교통부의 국도 터널에 대한 기초자료, 도로 교량 및 터널 현황정보시스템(bti.kict.re.kr)을 이용하여 조사하였다. 기본정보의 항목은 KS C 3703의 경계부 휘도 결정에 영향을 미치는 요인인 설계속도, 터널길이, 출구부보임과 국토교통부 제공자료를 통해 확인할 수 있는 준공년도, 경계부 조도 측정결과, 관리기관 정보로 선정하였다. 국도터널은 각 지역의 국토관리사무소별로 관리하므로 지자체 위탁관리 터널을 제외하고 각 사무소별 관리터널수를 고려하여 분포를 조정하여 선정하였다.

측정대상으로 선정된 국도터널에 대해 포털사이트의 지도제공 서비스를 이용하여 터널방위를 추가로 조사하였다. 조사한 터널의 기본정보를 분류한 결과는 표 1과 같다. 국도터널은 일반적으로 상행, 하행이 구분된 터널이 다수인 것으로 확인되었다. 터널길이의 경우 경계부 휘도의 조절계수에 영향을 미치는 200m, 기본부가 존재하지 않는 500m 미만 터널, 500m 이상으로 분류하였다. 준공년도는 터널조명기준 개정 후년인 2011년을 기준으로 하여 구분한 결과 대다수의 터널이 터널조명기준 개정 전에 준공된 것으로 나타났다. 입구부에서 출구부가 보이는 터널이 보이지 않는 터널보다 많은 것으로 확인되었다. 설계속도, 출구부 보임, 조도 측정결과, 길이에 대한 부분은 499개소를 대표할 수 있을 정도로 분포된 것으로 확인되었다.

2.2 조명환경 측정

터널노면의 휘도 측정은 터널조명기준(KS C 3703) 및 도로조명기준(KS A 3701)에 따라 각 차선 별로 도로 전체에 대해 수행하고 낮은 차선의 휘도값을 선택해야 한다. 하지만 국도터널의 경우 차량이 지속적으로 통행 중인 상황으로 전체노면의 휘도를 측정하는 것에 어려움이 있다.

본 연구에서는 터널의 차선 중 하나를 통제한 상황에서 HI-LAND 社의 동영상 휘도계 ELF System을 1.5m 높이, 차선 폭의 4분의 1지점의 차량에 부착하여 교통을 통제한 차선을 따라 헤드라이트를 소등한 상태로 60km/h로 정속주행하며 해당 차선의 노면 휘도를 측정 하였다. 주광 유입에 의한 영향을 제외하기 위해 야간에 측정을 실시하였으며 조명수준은 100% 밝기로 제어하였다.

｢KS C 7612 조도측정방법｣에 따르면 조도 측정은 옥외 측정의 경우 지면으로부터 15cm 이하에서 측정하도록 권장하고 있으므로, 거치가 용이한 지면에 조도계를 위치시켜 측정하였다. 조도계의 수광부는 평평한 지면을 택하여 위치시켰고, 측정자의 그림자나 복장에 의한 반사가 영향을 주지 않도록 수광부로부터 5m 이상 거리를 두고 측정하였다.

차량 통행에 의한 노면의 마모, 이물질 유입에 의한 오염 등이 노면휘도에 미치는 영향을 분석하기 위해 노면의 반사율을 측정하였다. 반사율은 portable 타입의 반사율 측정기를 사용하여 측정하였으며, 반사율 값은 경면성분이 거의 없는 콘크리트 노면이므로 확산반사성분과 경면반사성분을 포함하여 기록하였다. 반사율 측정지점은 터널 입구로부터 30m에 위치한 경계부에서 다양한 지점의 반사율 값을 얻기 위해 교통이 통제된 한 차선을 횡방향으로 15cm 간격마다 측정하였다. 또한 벽면의 반사율을 측정하여 터널 내부에서 발생하는 분진에 의한 벽면의 오염 정도와 휘도의 상관관계를 분석하였다. 벽면 반사율 측정은 바닥으로부터 높이 50cm, 150cm 지점에서 오염되어 있는 현재 상태와 청소 후 상태의 반사율을 측정하였다. 터널구간에 따른 차이를 확인하기 위해 경계부와 기본부 1구간의 노면 및 벽면을 측정하였다.

3.1 터널 노면휘도 분석

3.1.1 측정대상 터널의 기준휘도 재선정

2010년 터널조명기준 KS C 3703 개정과 2012년 ‘도로안전시설 설치 및 관리지침 조명시설 편’ 개정에 의해 터널들의 휘도 기준치가 이전보다 상향되었으나, 개정 이전 설계된 터널은 이전 기준에 맞추어 설계되어 개정 기준을 만족하지 못하며, 일부 터널은 개정 이후에 시공하였음에도 기준휘도를 제대로 선정하지 못하고 있다⁽³⁾.

2.1절에서 조사한 기본 정보를 바탕으로 KS C 3703의 경계부 휘도 결정과정에 따라 측정대상 터널에 적합한 경계부 휘도를 결정하였다.

기본부의 휘도는 설계속도와 교통량에 따라 결정된다. 터널의 교통량을 분석하기 위해 도로용량편람에 따라 식(1)을 이용하여 조사 대상 각 터널에 대하여 첨두시간 설계시간 교통량(PDDHV)을 계산하였다⁽²⁾. 계산을 위해 필요한 연평균 일교통량(AADT), 설계시간계수(K), 중방향계수(D) 데이터는 교통량정보제공시스템(www.road.re.kr)에서 조사하였다. 해당 터널의 해당 위치를 찾고 [통계자료]-[상시조사교통량]-[요일 보정계수]에서 평균일교통량, K30, D30 값을 조사하여 계산에 반영하였다. 첨두 설계시간 교통량을 계산하여 기준에 따라 교통량을 많음, 보통, 적음으로 분류하여 기본부 휘도를 결정하였다. 첨두시간계수(PHF)는 측정값을 쓰는 것을 추천하고 있으나 측정대상 터널에 대한 15분 교통량 데이터가 존재하지 않으므로 교통용량편람에서 제시하는 시간당 양방향 교통량 1000이하의 2차로 도로에 대한 일반적인 첨두시간 계수인 0.9를 일괄 적용하였다. 이를 바탕으로 터널별 조건에 부합하는 휘도 곡선을 선정하였다.

여기에서 PDDHV = 첨두 설계시간 교통량(vph),

DDHV = 중방향 설계시간 교통량(vph),

AADT = 연평균 일교통량(대/일),

K = 설계시간 계수, D = 중방향 계수,

PHF = 첨두시간계수

3.1.2 휘도기준 만족도 분석 결과

측정된 전 구간의 휘도 중 경계부와 기본부의 휘도를 3.1.1에서 결정한 경계부와 기본부의 기준휘도로 나누어 식(2)와 같이 터널조명기준에 대한 측정결과 만족도를 계산하였다.

국도터널 99개소 휘도측정 결과 경계부 휘도 기준을 만족하지 못하는 터널이 69개소(70%)로 나타났으며, 기본부 휘도 기준을 만족하지 못하는 터널은 69개소 중 30개소(43.5%)로 나타났다. 터널 중 30개소는 기본부가 존재하지 않는 터널이다.

휘도기준을 만족하는 터널 중 만족도가 1.0∼1.3사이인 터널은 보수율을 고려하여 적정한 것으로 판단하였고 1.3 이상의 만족도를 가지는 터널은 과도하게 조명이 사용되는 것으로 구분하였다. 기준을 만족하지 못하는 터널의 경우 만족도가 0.8∼1.0사이인 터널은 유지보수를 통해 기준을 넘거나 근접하게 개선이 가능할 것으로 예상하여 만족도 0.8 미만의 터널과 구분하였다. 전체 터널에 대한 만족도를 분류한 결과는 표 3과 같다.

경계부 휘도기준 만족도(S_th)를 분석한 결과 99개소 중 69개소가 휘도기준을 만족하지 못했으며, 이중 48개소의 만족도가 0.8 미만으로 경계부의 경우 시급히 개선이 필요함을 확인할 수 있다. 만족도가 0.8∼1.0 사이인 21개소의 터널은 유지보수를 통한 개선이 가능할 것으로 예상된다. 19개소의 터널의 휘도는 적정수준이었으며 나머지 11개소의 터널의 경계부는 기준휘도를 1.3배 이상 초과하였다.

기본부 휘도기준 만족도(S_in)를 분석한 결과 66개소 중 30개소가 휘도기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 이중 14개소의 만족도가 0.8 미만으로 나타나 조명개선이 필요하며 16개소는 유지보수를 통한 개선이 가능할 것으로 예상된다. 12개소의 터널의 휘도는 적정수준이었으며 나머지 27개소의 터널의 기본부는 기준휘도를 1.3배 이상 초과하였다.

3.1.3 국도터널 휘도 개선방안

기준휘도를 만족하지 못하는 터널들의 기본정보 및 측정 시 확인한 유지관리 현황으로부터 도출된 문제점은 다음과 같이 3가지로 정리하였다.

문제① 저압나트륨 램프 사용

저압나트륨을 경계부에 사용하는 13개 터널 중 2개소를 제외한 11개소가 기준을 만족하지 못하여 터널조명 관련 시설의 노후화, 짧은 램프수명, 낮은 출력으로 인해 기준달성이 힘든 상황인 것으로 확인되었다.

문제② 개정이전 휘도기준으로 조명설계 실시

2010년 기준이 개정되었으나 83개소의 터널이 2011년 이전에 준공된 것으로 조사되었다. 해당 터널들은 목표휘도 자체가 낮기 때문에 현행 기준을 만족하는 것이 불가능하다. 조명개선 사업을 통해 일부 터널의 조명을 LED로 교체하였지만 터널조명기준에 대한 이해도 부족으로 경계부 휘도와 기본부 휘도를 정확하게 선정하지 못한 사례가 다수 확인되었다.

문제③ 유지보수 미흡

측정당시 다수의 램프가 부점등 상태에 있었으며 벽면과 기구의 청소상태가 좋지 못한 터널들이 확인되었다. 정기적이고 적절한 유지보수 작업을 통해 일부 터널은 휘도를 높일 수 있을 것으로 판단된다.

선정한 터널들의 문제점을 개선하고 휘도기준을 만족시키기 위해 다음과 같은 개선방안을 제시하였다.

문제① 개선방안

저압나트륨 램프를 사용하고 있는 터널은 기존의 조명방식으로는 기준휘도 달성이 불가능하므로 터널 조명기구 및 케이블을 전면 교체하여 현행 기준을 만족하도록 하는 것이 바람직하다.

문제② 개선방안

개정이전 기준으로 설계된 터널은 터널조명기준의 경계부 휘도 선정표를 활용하여 기준을 다시 결정하는 작업이 필요하며, 기준 만족도를 확인하여 개선 필요성과 개선 방법을 결정할 필요가 있다.

문제③ 개선방안

관리사무소에서 정기적으로 터널의 유지보수를 수행하지 않고 있는 국도터널의 특성상 조명기구, 벽면, 노면을 정기적으로 청소하고 램프를 교환하는 것을 통해 휘도를 상당 수준 개선할 수 있다.

3.2 터널 반사율 측정 결과

한국의 터널 조명 기준은 휘도를 기준치로 제시하고 있으나 계산의 어려움으로 인해 휘도-조도 환산계수를 통해 조도 목표치를 설정하여 설계하고 관리하고 있다^(3-4). 하지만 환산계수는 노면의 경년변화를 고려하지 못하기 때문에 신설한 터널에서 초기에는 매우 높은 휘도가 측정되고 있으며, 터널 사용기간 동안의 기준 만족 여부를 예상할 수 없다.

사용정도에 따른 반사율 변화경향을 예측하기 위해 99개소 터널의 노면 반사율을 측정하였고 개통년도와 누적교통량을 조사하여 시간 경과에 따른 반사율의 변화를 분석하였다. 측정대상 국도터널 중 대다수인 87개소가 콘크리트 포장으로 나타나 아스팔트 노면은 결과에서 제외하고 콘크리트 노면에 대해서 분석을 실시하였다.

3.2.1 상위․하위반사율과 경년변화

도로 횡단방향 15cm 간격으로 반사율을 측정한 결과 반사율이 높은 지점과 낮은 지점이 나타나는 것을 확인하였다. 반사율이 높은 지점은 차선에서 바퀴가 잘 지나가지 않는 차선 중앙 또는 가장자리 부분으로 노면 포설 이후 사용년수와 연관성을 가질 것으로 예상되며, 반사율이 낮아지는 지점은 바퀴가 주로 지나가는 지점으로 해당 터널의 누적교통량과 연관성을 가지고 있을 것으로 예상하였다.

콘크리트 노면 포장의 경우 최초 개통 이후 다시 포장하지 않으므로 터널의 사용년수는 개통년도 이후 현재까지이므로 터널의 준공년도 정보를 조사하였고, 누적교통량은 교통량정보제공시스템(www.road.re.kr)을 사용하여 해당 터널이 위치한 국도의 교통량을 준공년도부터 현재까지 조사하여 합산하였다.

15cm 간격으로 측정한 반사율 중 상위 5지점의 평균값을 사용년수의 함수로 나타낸 결과는 그림 5와 같으며 하위 5지점의 평균값을 터널별 누적교통량의 함수로 나타낸 결과는 그래프는 그림 6과 같다.

두 결과 모두 유사한 사용년수와 누적교통량 값에서 반사율의 최소값과 최대값이 전반적으로 넓게 분포하여 사용년수 또는 누적교통량과 반사율의 직접적인 상관관계를 파악하기 어려운 것으로 나타났다.

3.2.2 콘크리트 특성과 터널 소재지 분석

전체 터널들의 반사율 측정 결과를 사용년수와 누적교통량과의 관계로 분석한 결과 직접적인 상관성을 확인하기 어려운 것으로 나타나 콘크리트 노면의 반사율의 영향을 미치는 추가적인 요인을 조사하였다.

콘크리트용 골재에 대한 기준인 KS F 2526에 따르면 콘크리트는 약 78.5%의 골재, 약 14%의 시멘트, 7.5%의 물로 구성되어 있다. 포장 직후에는 포장면 상부에 있는 시멘트에 의해 반사율이 비슷하지만 콘크리트 노면을 오랜 기간 사용하게 되면 시멘트가 마모되어 사라지고 골재의 특성이 큰 영향을 미치게 될 것을 추정할 수 있다.

콘크리트의 골재는 수송거리의 한계와 운송비 문제로 수요처 근처에서 산출된 것이 일반적으로 사용되고 있다⁽⁵⁾. 또한 국내에서 콘크리트의 골재로 사용되는 주된 암석은 편마암과 화강암이며, 해당 광물들은 생성된 시기가 다르고 지역적 특색이 다르기 때문에 동일한 암석이라도 지역에 따라 다른 색상을 가지고 있음을 확인하였다^(6-7).

결과적으로 콘크리트 노면은 지역별로 사용한 골재의 색상이 다르기 때문에 시간이 지남에 따라 지역별로 반사율 특성이 달라질 것으로 예상할 수 있다. 터널의 소재지를 콘크리트 노면의 반사율 경년변화에 영향을 미치는 요소로 반영하여 각 터널을 관리하고 있는 국토관리청에 따라 구분하는 작업이 필요한 것으로 판단하였다.

3.2.3 터널 소재지와 경년변화

그림 7은 그림 5의 사용년수와 상위 반사율을 관리청별로 분류하여 나타낸 것으로 사용년수와 반사율 사이의 결정계수(R2)가 선형회귀식과 높은 유사성을 보이지는 않으나 국토관리청 구분에 따라 그룹이 형성됨을 확인할 수 있다. 원주청과 서울청의 콘크리트 노면은 사용년수 전체에 걸쳐 반사율이 25% 이상의 높은 분포를 보이고 있으며 감소하는 경향이 나타나지 않았다. 반면 부산청과 익산청은 상대적으로 낮은 반사율 분포를 보이며 사용년수에 따라 반사율이 감소하는 경향을 보였다. 대전청은 반사율은 높지만 사용년수에 따라 반사율이 감소하는 경향을 나타냈다.

그림 8은 그림 6의 누적교통량와 하위 반사율을 관리청별로 분류하여 나타낸 것으로 누적교통량과 반사율 사이의 결정계수(R2)가 선형회귀식과 높은 유사성을 보이지는 않으나 국토관리청 구분에 따라 그룹이 형성됨을 확인할 수 있다. 원주청과 서울청의 콘크리트 노면은 누적교통량 전체에 걸쳐 높은 분포를 보이고 있으며 감소하는 경향이 나타나지 않았다. 반면 부산청, 대전청은 누적교통량이 증가함에 따라 반사율이 낮아지는 경향을 보였다. 익산청의 경우 누적교통량 증가에 따른 반사율 감소경향은 나타나지 않았지만 대부분 낮은 반사율 분포를 나타냈다.

국토관리청별 하위반사율(좌측)과 상위반사율(우측)의 평균값과 표준편차를 그래프로 나타낸 결과는 그림 9와 같다. 익산청과 부산청은 전체 평균보다 낮은 반사율을 보이며 서울청, 원주청, 대전청은 전체 평균보다 높은 반사율을 나타냈다. 하지만 모든 지역에서 상위반사율과 하위반사율의 평균의 차이가 각각 5% 수준으로 나타나며 상당히 큰 표준편차를 가지고 있으므로 일부분의 측정만으로는 노면 전체의 특성을 대변하기는 어려운 것으로 판단된다.

콘크리트 노면으로 포장된 국도터널에 대한 반사율을 측정하고 경년변화의 관계를 분석한 결과 유의성이 있는 상관관계는 찾기 어려웠지만, 터널이 위치한 지역에 따라 반사율 분포가 그룹을 형성하는 것을 확인할 수 있었다. 콘크리트를 생산하는 지역이 콘크리트 노면의 반사율 경년변화에 영향을 미칠 수 있는 것으로 추정된다.

3.2.4 벽면반사율 분석결과

터널 벽면들의 세척 전 평균 반사율은 경계부에서 45%, 기본부에서 37.7%로 나타났으며, 세척 후의 반사율은 약 72%로 차이가 경계부는 27%, 기본부는 34%로 나타났다. 또한 경계부 보다 기본부의 세척전 반사율이 낮은 것으로 나타났다. 경계부는 외부의 공기가 유입되어 상대적으로 오염이 덜하지만 기본부는 내부의 공기의 순환이 어려워 오염도가 더 큰 것으로 판단된다.

벽면 반사율의 차이가 노면휘도에 미치는 영향을 확인하기 위해 터널조명 시뮬레이션 소프트웨어(Relux Tunnel)를 사용하여 한국도로공사 표준터널 단면에 경계부 조명을 배치한 후, 벽면 반사율을 변경시키며 노면 휘도를 확인한 결과 표 4와 같은 결과를 얻었다. 벽면반사율이 40%인 경우 70% 반사율인 경우보다 3.7% 가량 노면휘도가 낮아질 수 있다. 터널벽면의 청소가 노면휘도를 일정량 상승시키는데 도움이 되므로 주기적인 청소를 수행해야할 필요성이 있다.

3.3 조도-휘도환산계수 분석

실제 국도터널의 반사율 측정지점에서 측정한 조도와 동영상휘도계로 측정한 노면휘도를 바탕으로 조도-휘도환산계수를 계산하였다. 전체 터널에 대해 조도환산계수를 계산한 결과 콘크리트는 평균 13.8lx/cd/㎡, 아스팔트는 평균 23.8lx/cd/㎡로 나타났다.

콘크리트 노면 포장의 환산계수를 국토관리청별로 나타낸 결과는 그림 11과 같다. 평균치인 13.8lx/cd/㎡은 현재 사용하는 13lx/cd/㎡과 유사하나, 관리청별로 차이가 크게 나타난다. 최소인 원주청은 12.3lx/cd/㎡, 최대인 대전청은 17.2lx/cd/㎡로 약 5정도의 차이를 보였다. 아스팔트 노면은 측정한 샘플 수가 12개소로 부족해 향후 추가적인 조사를 통해 재확인이 필요하다.