도로터널에서 백레이어링(Back Layering) 현상에 영향을 주는 요인

도로터널 내부 바람의 흐름에 영향을 주는 요인

가. 외부 바람의 방향

도로터널은 산에 설치되거나 해저에 설치되는 경우가 대부분이다. 어느 방향으로든 터널의 외부에서는 바람이 발생하고 있고 그 바람은 터널 내부의 공기 흐름에 영향을 준다. 상행 및 하행의 터널 중 하나는 순방향으로 바람이 형성되고 나머지 하나는 역방향으로 바람이 불게 된다. 이중에서 차량 진행방향과 순방향으로 바람이 부는 터널은 임계풍속 이상의 풍속이 형성되게 되고, 역방향으로 바람이 형성된 터널 내부에서는 백레이어링(Back Layering) 현상이 강하게 발생할 수밖에 없다.

 

나. 선행차량들의 주행 지속성

터널 내 모든 차량이 주행 중인 상황에서 발생한 화재는 바람의 방향이 일정하게 순방향으로 형성된다. 그러나 정체로 인해 모든 차량

이 정차 중인 상황에서 발생한 화재에서는 순방향으로 바람의 흐름이 형성되지 않아 백레이어링 현상이 발생할 가능성이 높아진다. 양방향 터널인 경우에는 어느 쪽이건 바람이 형성되므로 연기가 퍼져나갈 수밖에 없다.

 

다. 피난연결통로의 개방 여부

일방향 터널에서는 상대터널로 피난이 가능하도록 피난연결통로가 설치되어 있는데 화재가 발생하면 피난을 위해 대부분 개방된다. 그러면 화재 터널 내부의 압력이 저하되고 공기 흐름이 교란되면서 백레이어링 현상이 발생하게 된다.

 

피난연결통로가 개방되면 터널 내부 바람의 흐름이 변한다.

도로터널의 구조적 요인

가. 터널의 길이와 높이

도로터널의 길이가 길수록 밀폐공간의 역할을 하므로 바람의 영향이 적어 백레이어링 현상이 발생할 가능성이 높다. 터널의 높이가 낮을수록 천장에 부딪힌 열기와 연기는 강하게 반사되어 터널 천장을 따라 양쪽을 퍼져나가게 된다.

 

나. 터널의 경사도

열기와 연기는 밀도가 낮아져있는 상태이므로 부력이 강하게 작용한다. 따라서 터널 천장의 기울기에 따라 위쪽으로 움직이려는 특성을 보인다. 터널이 지면에서 지면 아래 방향으로 기울기가 형성되고 있는 상태라면 백레이어링 현상이 발생할 확률이 높아진다.

 

다. 터널의 배기시스템

횡방향 배기시스템보다는 종방향 배기시스템인 경우에 백레이어링 현상이 발생할 가능성이 높다. 화재에서 발생한 연기를 별도의 덕트를 통해 빼주면 터널 내부는 백레이어링 현상이 현저하게 저하된다. 그러나 종방향 배기시스템은 연기가 빠져나갈 수 있는 방향이 한정되어 있으므로 여러 요인에 의해 백레이어링 현상이 발생하게 된다. 터널 외부 수직으로 연기를 배출할 수 있는 대배기구 설비를 갖춘다면 백레이어링 현상이 발생할 가능성은 현저하게 줄어들게 된다.

 

라. 일방향 또는 양방향 터널 여부

일방향 터널보다 양방향 터널인 경우 백레이어링 현상이 발생할 가능성이 높다. 일방향 터널은 바람의 방향을 일정하게 조절하기 편리하지만 양방향 터널은 바람의 방향을 어느 쪽으로 설정하더라도 한쪽 방향은 피해를 입을 수밖에 없다. 이때는 백레이어링 현상에 의한 피해라기보다 터널 구조 자체의 문제라고 보면 된다.

 

양방향 터널이면 어느 쪽으로든 연기가 움직여 백레이어링과 같은 효과가 발생한다.

백레이어링 현상을 줄이기 위한 설비적 요인

가. 제트팬의 용량

제트팬은 도로터널 내부에 인위적인 바람을 형성시켜 임계풍속(Critical Velocity)을 형성하는 중요한 역할을 한다. 최초 설계단계에서부터 여유율을 두어 설치하는 것이 백레이어링 현상을 방지하는 결정적인 요인이 된다. 제트팬의 동작으로부터 터널 내부에 백레이어링 현상을 방지하기 위한 임계풍속을 발생시키기 위해 소요되는 시간도 제트팬 설계에 중요한 요소가 된다.

 

나. 자동 소화설비의 설치

현행 화재안전기준에서 도로터널에 설치하는 자동소화설비로는 물분무소화설비가 있다. 물분무소화설비처럼 사람이 직접 현장에 접근하지 않고 자동으로 소화수를 방사할 수 있는 시스템이 구축되어 있으면 화재에 의한 열기를 낮출 수 있다. 화재로 인한 열기가 낮아진다는 것은 화재성장속도를 늦추고 Fire Plume의 크기를 줄여 부력을 낮추는 것이므로 백레이어링 현상을 저하시키게 된다.

화재의 특성에 따른 요인

가. 화재 강도

화재강도는 열방출률(HRR)과 연기의 발생량이 달라지는 중요한 역할을 한다. 현재 도로터널의 화재안전기준에서는 화재강도 20MW, 연기 발생률 80㎥/s를 적용하고 있으나 차량의 종류에 따라 그 이상인 경우가 더 많다. 화재 강도가 클수록 발생하는 Fire Plume이 강해져 백레이어링 현상이 강하게 발생한다.

 

나. 화재 성장속도(T^2 Fire)

화재의 열방출률이 1MW에 도달하는 시간에 따라 백레이어링 현상이 발생하는 가능성이 좌우될 수 있다. 화재 차량의 종류, 적재물품의 가연성, 화재 발생 부분에 따라 변하게 된다. 화재성장속도가 Slow Fire는 내부 풍속의 영향으로 백레이어링 현상이 발생할 가능성이 적지만, Ultra Fast Fire는 제트팬에 의한 터널 내부의 풍속이 발생하더라도 백레이어링 현상을 야기시켜 버릴 가능성이 크다.

 

시간의 경과에 따른 화재성장속도를 보여주는 그래프

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