도로터널에서 발생하는 백레이어링(Back Layering) 현상

백레이어링(Back Layering) 현상이란

가. 터널 화재시 연기의 이동

도로터널을 주행하던 차량에서 화재가 발생하면 열기와 연기는 부력에 의해 상승하여 터널 천장에 다다른다. 그리고 천장에 부딪힌 Fire Plume은 천장면을 따라 열기류(Ceiling Jet Flow)를 형성하며 흐르게 된다. 이때 열기와 연기의 움직임은 바람의 방향에 따라, 천장면의 경사도에 따라 흐르는 양상을 보이게 된다.

 

나. 백레이어링 현상이란 무엇인가?

도로터널에는 제트팬을 설치하여 인위적으로 바람을 불어넣어서 터널 내부의 먼지와 유해가스 그리고 화재시 발생하는 연기를 차량이 진행하는 방향으로 계속 이동시키는 역할을 한다. 이렇게 화재로 인한 연기가 차량이 진행하는 방향으로 흘러가도록 기류가 형성됨에도 불구하고, 이 기류를 이겨내고 열기와 연기가 차량의 주행방향의 반대방향으로 전파되는 현상을 백레이어링(Back Layering) 현상이라고 한다.

 

도로터널에서의 백레이어링 현상

백레이어링 현상이 발생하면 어떤 문제가 일어날까?

가. 연기에 의해 시야를 저하시킨다.

가장 큰 문제는 화재차량 뒤편에 정차되어 있는 차량들과 사람들에게 연기가 전파된다는 것이다. 화재로 인한 직접적인 위험이라기 보다는 화재로 인해 발생한 연기에 의한 위험이라고 표현하는 것이 더 맞다. 백레이어링 현상이 발생하면 차량의 주행방향으로 형성된 바람과 함께 부딪히면서 난류의 흐름을 보인다. 따라서 연기층(Smoke Layer)이 낮아지고 검은 연기에 의해 감광계수(Extinction Coefficient)가 높아져 가시거리가 저하된다. 이는 피난통로의 식별과 피난에 장애를 준다.

 

나. 연기 속의 유해물질에 의해 질식을 유발한다.

연기 속에 포함되어 있는 유해물질들은 사람들에게 호흡곤란을 야기하게 된다. 산소농도가 15% 이하로 저하되면 정상적인 판단을 하기가 곤란해진다. 터널은 밀폐공간이라고 해도 과언이 아닌 곳이므로 신선한 공기가 들어오지 않는다. 백레이어링에 의해 전파된 연기는 대피하는 사람들에게 질식을 유발시킨다.

 

다. 패닉으로 인해 피난에 장애를 준다.

연기의 직접적인 위험성은 시야의 저하와 질식의 유발이다. 하지만 2차적인 위험성은 대피하는 사람들에게 패닉(Panic)을 야기한다는 것이다. 패닉은 사람들에게 두려움과 공포를 야기시켜 정상적인 판단을 하지 못하게 하는 원인이 된다. 다중이 밀집되어 있는 공간에서 대형 인명피해가 발생하게 되는 원인이다.

 

터널에서의 화재는 위험 천만한 상황에 직면하게 된다.

백레이어링을 예방하기 위해서는

가. 도로터널은 일방향 터널로 설계하여야 한다.

차량의 주행 방향이 양방향인 터널은 백레이어링 현상이 당연히 발생한다. 이는 백레이어링이라는 표현보다 어느 한쪽으로는 무조건 연기의 흐름이 형성되어야 하므로 연기에 의한 피해는 필수적으로 발생하게 된다는 것을 의미한다. 따라서 터널의 길이가 길수록, 도심에서 떨어져 있을수록, 해저터널처럼 특수한 경우에는 양방향 터널보다는 일방향 터널로 설계하여야 한다.

 

나. 배기 시스템은 횡류 환기방식 또는 반횡류식 환기방식으로 하여야 한다.

백레이어링 현상은 종류 환기방식 터널에서 발생할 가능성이 가장 높다. 그러므로 터널 설계시 배기 시스템을 횡류 환기방식 또는 반횡류 환기방식으로 설치하는 것이 백레이어링 현상을 최소화 할 수 있다. 위 ‘가’의 설명처럼 양방향 터널로 설계되는 경우라도 횡류 환기방식 또는 반횡류 환기방식으로 한다면 백레이어링 현상을 줄일 수 있다.

 

다. 임계풍속이 발생하도록 제트팬의 용량을 설정해주어야 한다.

임계풍속(Critical Velocity)은 백레이어링(Back Layering) 현상이 발생하지 않도록 하는 풍속이다. 우리나라의 경우 터널의 임계풍속 계산은 Tetzner가 제시한 임계풍속 계산식과 보정계수(β)를 고려하여 적용한다. 그리고 최종적으로는 CFD 시뮬레이션(Computational Fluid Dynamics Simulation)을 통해서 결정하게 된다. 이를 통해 제트팬의 용량을 설정하는데 시뮬레이션에서 나오는 값보다 더 여유율을 두는 것이 필요하다. 그 이유는 도로터널에서의 화재시 피난연결통로가 개방되므로 순방향의 압력이 빠져나갈 것이기 때문이다.

 

라. 화재강도를 낮추기 위해 자동소화설비가 설치되어야 한다.

해저터널, 장대터널, 대심도터널의 경우 화재가 발생하면 소방대가 접근하기가 쉽지 않다. 가장 먼저 원거리에 위치하여 도착까지 많은 시간이 소요되고, 정차된 차량 때문에 현장까지의 진입하는데도 많은 어려움이 예상된다. 따라서, 화재강도를 낮추어 열방출률(HRR)과 Fire Plume을 약화시키는 것이 필요하다. 옥내소화전설비와 연결송수관설비는 수동소화설비이므로 자동소화설비인 물문무소화설비를 의무적으로 도입해야 할 것이다.

 

장대터널 및 해저터널의 경우 옥내소화전 만으로는 화재 진압이 쉽지 않다.

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