2.1 인명안전기준

화재 발생 시 터널 이용자에게 직접적으로 영향을 주는 위험인자는 열, 독성가스, 가시거리 등으로 구분할 수 있으며, 이러한 위험인자들은 터널 이용자의 피난안전성을 크게 저하시킬 수 있으므로 NFPA([9]National Fire Protection Association) (2018)에서는 Table 1에 나타낸 바와 같이 인명안전 기준값을 제시하고 있다. 이 연구에서는 Table 1에 제시된 인명안전 기준값을 고려하여 터널에 대한 화재 및 피난 시뮬레이션을 수행하여 피난안전성을 평가하였다.

2.2 피난안전성 평가방법

피난허용시간(Available Safe Egress Time, ASET)은 특정 지점에서 인명안전 기준값에 도달하는 시간을 의미하며, 피난요구시간(Required Safe Egress Time, RSET)은 터널 이용자의 피난을 위해 필요한 시간을 의미한다. 따라서, 피난허용시간이 피난요구시간보다 큰 경우에는 피난안전성이 확보된 것으로, 그 반대의 경우에는 피난안전성이 확보되지 않은 것으로 판단한다. 이 연구에서는 화재시뮬레이션을 통하여 피난허용시간을 산정하였으며, 피난시뮬레이션을 통해 피난요구시간을 도출하였다.

2.3 피난안전성 평가대상

Fig. 3에는 피난안전성 평가의 대상이 되는 터널의 단면을 나타내었으며, 대상 터널은 일방향으로 2차선이고 피난연결통로를 통해 반대쪽 터널로 피난할 수 있는 것으로 가정하였다. 시뮬레이션 대상 터널은 일반적인 터널의 단면을 참고하였으며, 터널의 길이는 1,000m, 높이는 6m, 폭은 9.6m로 계획하였다.

Fig. 3 Detail of prototype tunnel

3.1 화재시뮬레이션 개요

이 연구에서는 미국표준기술연구소(National Institue of Standards and Technology, NIST)에서 개발한 화재시뮬레이션 프로그램인 Fire Dynamics Simulator(FDS)를 활용하여 도로터널에 대한 화재시뮬레이션을 수행하였다. 화재시뮬레이션 시간은 1100초, 초기온도는 20℃로 가정하였으며, 별도의 제연 및 배연 시설은 고려하지 않았다.

화재시뮬레이션의 변수는 화재의 크기로 설정하였으며, Table 2에 나타낸 바와 같이 버스가 연소할 때 발생하는 최대 열방출율인 20MW, 버스와 트럭이 같이 연소할 때 발생하는 최대 열방출율에 해당하는 50MW, 탱크로리에 해당하는 100MW로 계획하였다^{(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2021)}. 화재성장곡선은 국토교통부의 도로설계편람 터널편을 참고하여 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 시간에 따른 열방출율은 450초동안 최대 열방출율에 도달한 이후에 650초간 유지하는 것으로 설정하였다^{(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2023)}.

Fig. 4 Fire growth rate of each parameter(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2023)

연료는 Polyurethane GM27로 가정하였으며, Fig. 3에 나타낸 바와 같이 화원의 위치는 터널의 중간 위치로 설정하였다. 연료의 물성치는 SFPE(Society of Fire Protection Engineers handbook)(2016)에 제시된 값을 사용하였다.

메쉬의 크기는 ^{FDS User’s guide(2013)}에 제시된 식 (1) 및 식 (2)를 활용하여 설정하였다.

여기서, $\dot{Q}$는 열방출률(kW), $\rho_{\infty}$는 주변 공기의 밀도(1.204kg/m³), $c_{p}$는 주변 공기의 비열(1.005kJ/kg-K), $T_{\infty}$는 주변 공기의 온도(293K), $g$는 중력가속도(9.81m/s²), $D^{*}$는 특성 화재 직경(m), $dx$는 메쉬의 크기(m)를 의미한다. ^{FDS User’s guide (2013)}에서는 $D^{*}/dx$를 4 이상, 16 이하로 제시하고 있다. Table 3에는 화원의 크기를 고려하여 산정된 화재특성직경 n($D^{*}/dx$)값에 따른 메쉬의 크기를 정리하여 나타내었다. 각 화재시나리오에 대한 메쉬 크기의 적정성 검토를 수행하였으며, Fig. 5에는 50MW 화재시나리오의 메쉬 적정성 검토 결과를 대표적으로 나타내었다. 메쉬의 크기가 1.0m인 경우 메쉬의 크기가 0.5m, 0.75m인 경우와 비교하여 큰 차이를 나타내었으다. 메쉬의 크기가 0.5m, 0.75m인 경우 유사한 결과를 나타내었으며, 이 연구에서는 메쉬의 크기를 0.5m로 설정하여 화재시뮬레이션을 수행하였다.

Fig. 5 Results of mesh suitability check

3.2 피난시뮬레이션 개요

Fig. 6는 대상 터널의 피난시뮬레이션을 위한 Pathfinder 모델을 나타낸 것이며, Pathfinder는 에이전트 모델에 근거하여 피난자의 특성에 따라 피난거동을 예측할 수 있는 프로그램이다. 피난지연시간은 도로설계편람(터널편)을 참고하여 60초로 설정하였다.

Fig. 6 Modelling of evacuation simulation

Fig. 7 Proportion of vehicle types in tunnel(Korea Expressway Corporation, 2022)

터널 내 이용차량의 비율은 국내 도로터널을 대상으로 ^{Korea Expressway Corporation(2022)}에서 조사한 고속도로 교통량 통계를 참고하여 산정하였으며, Fig. 7에 나타낸 바와 같이 국내 도로터널 이용 차량의 평균 비율은 승용차는 약 85.2%, 화물차는 약 13.5%, 버스는 1.3%로 나타났다^{(Korea Expressway Corporation, 2022)}. 차량간 간격은 도로설계편람(터널편)에 제시된 식 (3)을 참고하여 산정하였으며, 여기서 는 차량간 간격(m), 는 정체 시 밀도(pc/km·lane), 는 차량의 길이(m)를 의미한다. 도로설계편람(터널편)에서는 정체 시 차량의 밀도를 150 이상, 165 이하로 제시하고 있으며, 이를 참고하여 차량간 간격을 2m로 설정하였다.

Table 4 및 5에는 차량별 길이, 터널 내 배치된 차량의 수 및 재차인원을 나타내었다. 차량 종류별 재차인원은 승용차는 4명, 화물차는 1명, 버스는 40명으로 가정하였다. 재차인원의 연령대별 비율은 ‘2022 인구총조사’(통계청)을 참고하였으며, 각 비율에 맞는 재차인원을 배치하였다. 결과적으로, Table 5에 나타낸 바와 같이 1km 길이의 터널에 1104명의 재차인원이 배치되는 것을 기준으로 피난연결통로의 간격에 따라 차등적으로 배치하였으며, 피난연결통로 간격이 300m인 경우에는 332명, 250m인 경우에는 276명, 200m인 경우에는 221명, 150m인 경우에는 166명, 100m인 경우에는 111명을 배치하였다.

또한, 연령대별 보행속도는 Satoh et al.(2006)의 연구를 참고하여 Table 6에 나타낸 바와 같이 적용하였다.

피난시뮬레이션의 변수는 피난연결통로의 간격과 차단문의 폭으로 설정하였으며, 피난연결통로의 간격은 100m부터 300m까지 50m 간격으로, 차단문의 폭은 0.8m부터 1.6m까지 0.2m 간격으로 계획하여 총 25개의 피난시나리오에 대한 피난시뮬레이션을 수행하였다.

4.1 화재시뮬레이션 결과

Fig. 8에는 화재 크기가 20MW인 경우의 화재지속시간에 따른 연기의 거동을 대표적으로 나타내었다. 화재의 크기가 20MW인 경우에는 화원으로부터 125m 위치까지 연기가 확산된 시간이 130초로 나타났으며, 250m 위치까지는 255초로 나타났다. 50MW인 경우에는 125m 위치까지 100초, 250m 위치까지 195초에 도달하였으며, 100MW인 경우에는 125m 위치까지 84초, 250m 위치까지 164초에 도달하였다.

Fig. 9, 10 및 11에는 각 화재 시나리오에 대한 화원으로부터 거리 및 화재지속시간에 따른 가시거리, 온도, 일산화탄소, 이산화탄소 및 산소의 농도를 나타내었다. 각 그래프에서 붉은색 점선은 Table 1에 나타낸 인명안전 기준값을 의미하며, 붉은색 점선과 그래프가 교차하는 시간은 피난허용시간을 의미한다. 20MW 화재 시나리오의 경우에는 가시거리에 의한 피난허용시간이 100m 위치에서는 167초, 200m 위치에서는 255초, 300m 위치에서는 367초, 400m 위치에서는 488초로 나타났다. 온도에 의한 피난허용시간은 100m 위치에서 536초로 나타났으며, 200m, 300m 및 400m 위치에서는 인명안전 기준값에 도달하지 않았다. 또한, 일산화탄소, 이산화탄소 및 산소 농도는 해석종료 시점까지 인명안전 기준값에 도달하지 않는 것으로 나타났다. 도로터널 내 재차인원의 피난허용시간은 연기확산에 따른 가시거리 감소에 의해 지배적으로 결정되었으며, Fig. 10 및 11에 나타낸 바와 같이 50MW 및 100MW 화재 시나리오의 경우에도 가시거리에 의해 피난허용시간이 도출되었다. 50MW 화재 시나리오의 경우에는 피난허용시간이 100m 위치에서는 129초, 200m 위치에서는 196초, 300m 위치에서는 283초, 400m 위치에서는 407초로 나타났으며, 100MW 화재 시나리오의 경우에는 피난허용시간이 100m 위치에서는 99초, 200m 위치에서는 155초, 300m 위치에서는 238초, 400m 위치에서는 321초로 나타났다. 한편, 화재강도가 높은 상황에서는 화재 발생 500여초 후에 산소의 농도가 약 10% 이하로 감소되면서 소화되는 현상이 발생하였다. 이로 인하여 해당 시점 이후 온도, 일산화탄소 및 이산화탄소가 감소하는 경향을 나타내었다.

Fig. 8 Smoke behavior in case of fire size 20MW

Fig. 9 Fire simulation results (fire size : 20MW)

Fig. 10 Fire simulation results (fire size : 50MW)

Fig. 11 Fire simulation results (fire size : 100MW)

결과적으로, 도로터널 화재 시의 피난허용시간은 화재의 크기가 커지고, 화원으로부터 거리가 가까울수록 감소하는 것으로 나타났으며, 화재의 크기 및 화원으로부터의 거리에 따른 피난허용시간을 Table 7에 나타내었다.

4.2 피난시뮬레이션 결과

Fig. 12에는 피난연결통로의 간격과 차단문의 폭에 따른 피난요구시간을 나타내었다. Fig. 12(a)에 나타낸 바와 같이 피난연결통로가 100m 간격이고 차단문의 폭이 0.8m 간격인 경우에는 피난요구시간이 199초로 나타났으며, 피난연결통로 간격이 증가함에 따라 피난요구시간이 오프셋 되는 형태로 증가하였다. 또한, 차단문의 폭이 증가함에 따라 피난요구시간이 감소하는 경향을 보였으며, 차단문의 폭이 1.4m 이상인 경우에는 피난요구시간의 증감에 비교적 적은 영향을 나타내었다. 이는 차단문의 폭이 1.4m 이상인 경우에는 피난에 필요한 차단문의 폭을 충분히 확보하여 병목현상의 영향이 비교적 적게 나타나기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 12 Evacuation simulation results according to door width

4.3 피난안전성 평가

이 연구에서는 화재크기를 변수로 화재시뮬레이션을 수행하여 도출된 피난허용시간과 피난연결통로 간격 및 차단문의 폭을 변수로 피난시뮬레이션을 수행하여 도출된 피난요구시간을 비교함으로써 일반적인 도로터널에 대한 피난안전성을 평가하였다.

Table 8에는 차단문의 폭이 1.4m이고, 피난연결통로 간격이 300m인 경우의 화원의 크기 및 화원으로부터 거리에 따른 피난허용시간, 피난요구시간 및 사상자의 수를 나타내었다.

이 경우 화원으로부터의 거리는 피난로가 300m 거리에 위치한 상황에서 100m, 150m, 200m, 250m의 위치에서 피난허용시간과 피난요구시간을 비교하여 사상자 수를 산정한 것이다. 즉, 위치별로 화재 및 피난 시뮬레이션의 커플링을 수행하였다. 화원으로부터 거리가 100m인 경우의 사상자 수는 18명이었으며, 이 18명은 화원으로부터 거리가 300m로 증가하여도 동일하게 피난에 실패하는 것으로 나타났다. 따라서, 화원으로부터 거리를 300m로 설정한다면 100m, 150m, 200m, 250m에 대한 결과를 모두 고려할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 13에는 화재의 크기, 피난연결통로의 간격 및 차단문의 폭에 따른 피난안전성 평가결과를 나타내었다. Fig. 13(a)에 나타낸 바와 같이 20MW 화재시나리오에서 차단문의 폭이 0.8m인 경우에는 피난연결통로의 간격이 증가함에 따라 사상자가 크게 발생하는 경향을 나타내었으며, 차단문의 폭이 1.2m 이상인 경우에는 사상자가 발생하지 않아 피난안전성이 확보된 것으로 판단된다. Fig. 13(b)와 (c)에 나타낸 바와 같이 50MW 및 100MW 화재시나리오의 경우에는 차단문의 폭이 0.8m인 경우에는 피난연결통로의 간격이 증가함에 따라 사상자가 크게 발생하는 경향을 보였으며, 이는 차단문의 폭이 작아 병목현상이 발생하였기 때문으로 판단된다. 다만, 차단문의 폭이 증가할수록, 피난연결통로 간격이 감소함에 따라 오히려 사상자의 수가 증가하기도 하였다. 화재 및 피난 시뮬레이션 결과에 따르면 피난연결통로의 간격이 증가함에 따라 피난허용시간과 피난요구시간이 함께 증가하였다. 이는 피난연결통로의 간격이 증가하면서 터널 이용자의 이동거리가 증가할 뿐만 아니라, 터널 내 연기의 이동거리 또한 함께 증가하기 때문이다. 피난안전성 평가 결과에 따르면 일반적으로 터널 이용자의 보행속도가 터널 내 연기의 수평방향 이동속도에 비하여 빠름에도 불구하고 피난연결통로 간격이 증가함에 따라 사상자가 증가하는 경향을 보였다. 이는 피난연결통로의 간격이 증가함에 따라 터널 이용자의 수가 증가하고 병목현상이 발생하기 때문이다. 다만, 병목현상을 방지할 수 있는 수준의 차단문 폭이 확보되면 피난연결통로의 간격이 커도 원활한 피난이 가능할 것으로 판단된다.

Fig. 13 Evacuation safety evaluation according to fire size