1.1 연구배경 및 목적

1860년 영국 런던에서 세계최초로 지하철이 착공된 이후 국내에서는 약 110년만인 1971년 서울~ 청량리역을 운행하는 지하철 1호선을 착공하였으며 현재까지 수도권 및 광역시를 중심으로 그 수를 확장⁽¹⁾하고 있다. 국내 지하역사는 크게 상대식과 섬식으로 구분되며, 상대식은 열차가 진입하는 선로를 중심으로 나뉘어 있는 형태의 승강장, 섬식은 열차가 진입하는 선로 사이에 섬처럼 배치형태의 승강장으로 정의된다.

경제 발전 및 삶의 질 향상으로 인해 지하역사 내 환경개선 요구 및 안전의식 수준이 증가⁽²⁾함에 따라 국토교통부는 수도권은 2017년까지 모든 역의 스크린도어(Platform Screen Door, PSD) 설치 의무화를 추진하였다. 이와 함께 국내에서는 PSD 설치가 환경 및 안전사고(추락 및 화재) 등에 미치는 영향을 분석하기 위한 연구들이 진행되고 있다. 화재와 관련된 연구에서 Jang et al.^(3,4)은 전사수치모사를 통해 화재 발생에 따른 승강장 내 열기류 및 연기거동에 대한 분석을 수행하여 PSD 설치로 인해 열기류 및 연기거동이 기존의 승강장과는 차이가 있음을 검증한 바 있다. 열기류 및 연기 거동의 변화함에 따라 인명안전과 관련하여 PSD가 설치되지 않았던 기존의 승강장과는 다른 소방 및 방화시설 계획을 수립되어야 할 것으로 사료된다.

또한, Jang et al.⁽³⁾은 화재전용 CFD code를 이용하여 섬식 승강장 내 화재발생 위치에 따른 PSD의 온도 및 연기전파 차단효과를 분석하여 PSD가 온도 및 연기전파를 차단하는 것에 효과가 있음을 검증한 바 있다. 기존의 연구들은 화재 발생 시 PSD의 문이 완전히 닫혀있는 상태에서의 성능만을 연구하였으나, 실제 승강장 화재 발생 시 PSD의 문은 전동차 내에 위치한 인원들이 피난을 완료하기까지 개방되어있어야 할 것이며 이에 따라 연기 및 온도의 전파는 기존연구들의 결과와는 차이가 있을 것이라 사료된다. PSD 설치가 의무화된 현시점에서 피난객들의 안전을 도모하기 위해서는 PSD 설치로 인한 승강장 및 전동차 인원들의 대피시간의 변화는 고려되어야 할 대상이며, 이에 따라 화재와 피난특성 변화를 동시에 분석할 필요가 있다. 따라서 본 연구는 승강장 내 PSD 설치 의무화 추세에 따른 현재 지하역사 실정에 적합한 소방시설 등의 계획 수립의 기초자료를 마련하기 위해 피난안전성평가 절차를 바탕으로 승강장을 섬식과 상대식으로 구분하고, PSD 설치 전․후에 따른 피난허용시간(Available Safe Egress Time, ASET)과 피난소요시간(Required Safe Egress Time, RSET)의 변화에 관해 연구하고자 한다.

1.2 연구방법

본 연구에서는 부산광역시 내 지하역사 형태를 종합하여 시뮬레이션 모델을 선정하였으며, 화재 시나리오는 부산일보의 기사를 조사하여 최근 10년간의 부산 지하철 화재 사례 중 가장 많이 발생한 화재 유형으로 설정하였다. 화재 시뮬레이션인 Pyrosim과 피난시뮬레이션인 Pathfinder를 사용하여 상대식 승강장(Case 1), PSD+상대식 승강장(Case 2), 섬식 승강장(Case 3), PSD+섬식 승강장(Case 4) 총 4가지 대표모델을 설정하여 화재 및 피난특성을 분석하였으며, ASET의 경우 화재시뮬레이션에서 나타난 승강장 및 대합실의 온도, 가시거리, 독성가스 농도에 대한 결과값 중 인명안전평가기준⁽⁵⁾(온도 60℃ 이상, 가시거리 5 m 이하, 일산화탄소 1,400 ppm 이상)에 가장 빠르게 도달하는 요소에 대한 시간으로 산정하였다. RSET은 반응시간+시뮬레이션으로 구성되며 승강장에 위치한 인원과 전동차에 위치한 인원으로 구분하여 각 인원들이 승강장에서 대합실, 대합실에서 지하역사 외부로 피난을 완료하기까지 소요된 시간으로 산정하였다. 최종적으로, 화재 및 피난시뮬레이션에서 나타난 각 Case에 대한 결과를 바탕으로 승강장별 PSD 설치로 인한 ASET과 RSET의 변화를 분석 하였다.

3.1 화재시뮬레이션 시나리오 설정

부산광역시 지하역사에서 발생한 화재사고를 조사한 결과 전동차의 전력장치 문제로 인해 발생한 화재가 가장 많은 것으로 나타나 Table 2와 같이 전력장치 문제로 인해 상․하행선 총 8량으로 이루어진 전동차 중 하행선의 4번째 량의 외부 천장에서 화재가 발생하여 연기가 승강장으로 빠르게 퍼져나가는 상황으로 설정하였다.

3.2 화재시뮬레이션 입력조건

3.2.1 화재성장속도

화재성장속도는 화재의 성장과정을 나타내는 화재의 중요한 작용요소로 NFPA(National Fore Protection Association)에서 규정하는 화재 성장에 관한 식(1)과 같이 발화 이후부터 시간의 제곱에 비례 성장하게 된다. 성장속도는 화재성장속도 계수에 의해 결정되며 1055 KW에 도달되는 시간을 기준으로 Table 3과 같이 Slow, Medium, Fast 그리고 Ultra fast로 분류한다.⁽⁶⁾

(1)

$Q=at^{2}$

Table 3. Classification of fire growth rate

Fire Growth Speed	Growth Time($t_{g}$)		Coefficient of Fire growth speed($a$)
	Range(s)	Application(s)
Slow	400 $\le$ $t_{g}$ $\le$ 600	600	$a$ $\le$ 0.0066
Medium	150 $\le$ $t_{g}$ $\le$ 400	300	0.0066 < $a$ < 0.0469
Fast	$t_{g}$ $\le$ 150	150	0.0469 < $a$ < 0.1876
Ultra Fast	$t_{g}$ $\le$ 75	75	$a$ > 0.1876

Fig. 1 Heat release rate graph of simulation model.

화재 성장률은 착화원의 위치, 크기, 물질의 방향 그리고 다른 물질과의 인접성 등에 연관된 확률 등에도 좌우되어 설계 목표상 최악의 화재상황을 적용하는 것이 사려 깊은 일이다.⁽⁷⁾ 본 연구에서는 화재의 빠른 성장으로 인해 대량의 인명피해가 유발될 수 있는 최악의 상황을 고려하여 화재성장속도를 Ultra fast로 설정하였다. 화재 규모의 경우 철도시설 기술기준⁽⁸⁾에서 시뮬레이션을 통해 안전대책을 수립할 경우 화재 규모를 10 MW로 설정하도록 규정하고 있어 식(1)로부터 $t^{2}$를 230.9 s로 설정하여 Fig. 1과 같이 230.9초에 10 MW의 열을 방출시키도록 하였다.

3.3 피난시뮬레이션 시나리오 설정

지하철역사 내 대피인원을 산정할 경우 대합실에 배치된 재실자들은 피난 종료시간과 병목현상에 대한 영향이 매우 적기 때문에 모든 재실자들이 승강장에서 피난을 하도록 설정하였다.⁽¹⁰⁾ 피난시뮬레이션 내 재실자들은 화재 발생 시 상․하행선 모두 정차한 상황에서 1)승강장에 위치하여 피난을 시작하는 인원과 2)전동차 내에 위치하여 전동차 문과 PSD 문이 개방되었을 때 피난을 시작하는 인원으로 구성되었으며 이들은 화재발생과 동시에 대피를 시작하며 모두 승강장에서 대합실, 대합실에서 지상으로 연결된 계단을 통해 피난을 진행한다. 단, PSD가 설치된 승강장의 경우 PSD 문이 개방되기까지 3초의 시간이 걸리는 것⁽¹¹⁾으로 설정하여 전동차 내부에 위치한 인원들은 화재 발생 3초 후 피난을 진행하며, PSD의 문은 계속 개방되어있는 상태로 설정하였다.

3.4 피난시뮬레이션 입력조건

대피인원 산정시 전동차에서의 대피인원은 상․하행선 각 8량에 대해 전동차 1량 당 정원인 160명이 모두 탑승한 것으로 산정하였다. “도시철도 정거장 및 환승․편의시설 설계 지침”⁽¹²⁾에서는 대기공간의 공간모듈, 밀도 및 보행상태 등에 따라 서비스수준을 6개로 구분하고 있으며, Lee et al.⁽¹³⁾은 서비스수준을 측정하는 지표인 실용 대기공간 면적은 전체 승강장 면적의 54%에 해당된다고 보고한바 있다. 이를 참고하여 승강장의 대피인원은 화재 발생시 승강장 내 많은 대기인원으로 인해 큰 인명피해가 유발될 수 있는 서비스수준 E(타인과의 접촉 없이 대기가 불가능한 상태 인구밀도, 3.3~5.0 인/㎡)에 해당되는 인원인 2800명으로 산정하였다. 총 대피인원 수는 5360명이며 각 대피인원들의 보행속도는 1.2 m/s으로 설정하였다.

4.1 상대식 승강장

상대식 승강장의 Case 1은 연기가 상․하행 승강장 및 선로의 중앙에서 양단 방향으로 전파됨에 따라 상․하행 승강장 내 내측에 위치한 계단(이후 승강장 내측계단)에서의 가시거리가 기준이하로 감소하며, 이후 연기는 승강장 계단부의 좁은 통로를 지나면서 승강장 내 외측에 위치한 계단(이후 승강장 외측계단)에서의 가시거리도 기준 이하로 감소하였다. 대합실로 유입된 연기가 대합실 내에서 퍼져나감에 따라 좌측에 위치한 개찰구에서의 가시거리가 기준이하로 감소하며 이후 우측에 위치한 개찰구의 가시거리도 기준 이하로 감소하였다. 피난의 경우 승강장 양단에 위치한 인원들은 승강장의 외측 계단을 통해 빠르게 피난을 완료하였나, 계단부의 좁은 통로와 승강장 중앙에 위치한 인원들은 전동차에 위치한 인원들이 피난을 진행함에 따라 피난이 지연되었으며, 많은 인원들이 승강장 내측계단을 이용하고 개찰구에서 병목현상이 발생함에 따라 최종적인 피난완료시간은 495초로 나타났다.

Case 2의 경우 연기는 PSD로 인해 선로 내에서 전파가 빠르게 진행되며 130초부터 하행 승강장의 중앙부로 연기가 빠져오기 시작하였다. 이후 상․하행 승강장의 전동차의 2량과 7량에 위치한 PSD 문을 통해 승강장 내부로 연기가 유입되며 승강장 내․외부계단을 중심으로 퍼져나갔다. 대합실의 경우 290초 이후 연기가 퍼져 나가나 인원들이 피난을 완료하기까지 개찰구에서의 가시거리가 기준 이하로 감소하지 않았다. 피난의 경우 Case 1과 비교하여 전동차 인원들이 PSD 개방 전까지 전동차 내부에서 대기함에 따라 상․하행 승강장 양단부에 위치했던 인원들의 피난완료시간은 감소하나, 각 승강장 중앙부에 위치한 인원들과 전동차 인원들의 피난완료 시간이 증가하여 최종적으로 지하역사 외부까지 피난하는데 걸린 시간은 증가하였다.

4.2 섬식 승강장

Fig. 3 The variation of visibility by side platform with time change.

섬식 승강장의 Case 3에서 초기 연기는 승강장 중앙부와 하행 전동차의 선로부를 따라 퍼져나가며, 승강장 중앙부로 퍼져나가는 연기는 상행선 전동차에 부딪혀 하강하였다. 하강된 연기는 상행 전동차의 출입구 부근에서 좌우로 퍼져나감과 동시에 승강장 내측계단의 입구까지 퍼져나갔다. 또한 연기는 승강장 내측계단을 통해 대합실로 유입되었으며, 대합실 내에서 연기가 전파됨에 따라 좌․우측 개찰구의 가시거리가 기준이하로 감소하였다. 피난의 경우 승강장에 양단부에 위치한 인원들은 승강장 외측계단을 통해 빠른 시간 내 피난을 완료 하였으며, 계단부의 좁은 통로와 승강장 중앙에 위치한 인원들은 전동차에 위치한 인원들이 피난을 진행함에 따라 피난이 지연되었다. 그러나 상대식 승강장의 경우와 달리 개찰구에서 병목현상이 발생하지 않아 최종피난 완료시간은 449초로 상대식 승강장보다 빠르게 나타났다.

Fig. 4 The variation of visibility by island platform with time change.

Case 4의 경우 연기는 화재가 발생한 전동차가 위치한 선로부를 따라 전파되기 시작하며, 승강장 계단부에 위치한 PSD 문을 통해 빠져나온 연기가 계단 벽에 부딪히며 하강하였다. 이로 인해 하행 전동차 가까이 위치한 계단부의 좁은 통로에서의 가시거리가 기준 이하로 감소하였으며, 연기는 승강장의 내․외측계단 출입구 주변으로 퍼져나갔다. 계단부로 퍼져나간 연기는 245초부터 대합실로 유입되어 대합실 내부에서 퍼져나갔으나 역사 내 모든 인원들이 대피를 완료하는 시간동안 개찰구에서의 가시거리는 기준 이하로 감소하지 않았다. 피난의 경우 Case 3과 비교하여 승강장 양단부에 위치했던 인원들의 피난완료시간은 감소하나, 각 승강장 중앙부에 위치한 인원들과 전동차 인원들의 피난완료 시간이 증가하는 모습을 보이며 최종적으로 지하역사 외부까지 피난하는데 걸린 시간은 증가하는 것으로 나타났다.