KR100763026B1 - 단선 병렬터널의 격벽형 갱구 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 한쪽 터널에서 화재발생시 터널 갱구로부터 외부로 유출하게 되는 화재 연기가 외부 자연풍과의 복합적인 결과로 화재가 발생하지 않은 다른 터널로 재유입되는 현상을 방지하는 단선 병렬터널의 격벽형 갱구 구조물에 관한 것으로서, 단선 병렬터널에서 화재발생시 화재가 발생한 터널에서 나오는 매연 또는 화재연기가 인접한 다른 쪽 갱구로 재유입되지 않도록 상행선 터널과 하행선 터널이 서로 인접하는 갱구 측벽에 각각 격벽형 갱구 구조물을 터널 높이로 설치하고, 격벽형 갱구 구조물의 길이는　터널의 갱구가 평행한 경우 터널 유효직경의 4배와 17m이상 되는 터널 중심간격의 17m 초과간격을 더하여 산출하고, 상기 상행선 터널과 하행선 터널의 갱구 중 어느 한쪽이 돌출한 돌출형 갱구이고 돌출길이 B를 갖는 경우, 갱구가 돌출하지 않는 터널에 인접하는 측벽에 설치되는 격벽형 갱구 구조물의 길이는 터널의 갱구가 평행한 경우와 같은 방법으로 산출하고, 갱구가 돌출하지 않은 터널의 측벽 중 갱구가 돌출한 터널에 인접하는 측벽에 설치되는 격벽형 갱구 구조물의 길이는 터널의 갱구가 평행한 경우의 산출식에 돌출터널의 길이 B를 더하여 산출한다.

단선 병렬터널, 화재, 연기, 재유입, 역류, 돌출형, 평행, 갱구 구조물

Description

단선 병렬터널의 격벽형 갱구 구조물{Partition walls near twin portals of double bore tunnels}

도1은 단선 병렬터널에서 화재발생시 터널 갱구로부터 외부로 유출된 화재연기가 외부 자연풍과의 복합적인 결과로 화재가 발생하지 않은 터널로 재유입되는 현상을 나타내는 개념도,

도2 내지 도6은 각각 격벽 설치 위치, 격벽 크기, 터널길이방향 갱구 간격에 의한 역류방지 효과를 자연풍 방향별로 역류방지 효과를 나타내는 다이아그램,

도7은 단선 병렬터널 입/출구에서 갱구의 위치가 서로 평행하는 경우 상행선 터널과 하행선 터널 양쪽 터널 갱구 측벽에 격벽을 설치하는 갱구 구조물,

도8(a) 및 도8(b)는 터널간 중심간격 C의 길이를 갖는 갱구 구조물을 설치했을 때, 45°의 자연풍과 30°의 자연풍에서 역류 스모크의 차단효과에 대한 개념 설명도,

도9는 평행한 갱구일 경우 본 발명에 의해 격벽형 갱구 구조물의 길이를 산출하여 설치한 실시예,

도10은 돌출형 단선 병렬터널의 갱구 돌출길이 B를 갖는 경우에 상행선 터널과 하행선 터널 양쪽 터널 갱구 측벽에 격벽을 설치하는 갱구 구조물,

도11은 돌출형 단선 병렬터널의 갱구 돌출길이 B를 갖는 경우에 본 발명에 의해 격벽형 갱구 구조물의 길이를　산출하여 설치한 실시예,

도12는 돌출형 단선 병렬터널의 갱구 돌출길이 B가 2D이상인 경우에 상행선 터널벽에만 격벽을 설치하는 갱구 구조물,

도13은 돌출형 단선 병렬터널의 갱구 돌출길이 B가 2D이상인 경우 본 발명에 의해 격벽형 갱구 구조물의 길이를 산출하여 설치한 실시예,

도14는 평행한 갱구일 경우 본 발명에 의해 격벽형 갱구 구조물의 길이를 산출하여 격벽의 터널높이에서 방음벽처럼 안쪽 꺾임 형상으로 설계하여 설치한 실시예,

도15는 평행한 갱구일 경우 본 발명에 의해 격벽형 갱구 구조물의 길이를 산출하고, 어느 하나의 갱구 구조물은 그 격벽의 터널높이에서 방음벽처럼 안쪽 꺾임 형상으로 설계하고, 다른 하나의 갱구 구조물은 지붕을 구비하도록 설치한 실시예,

도16은 평행한 갱구일 경우 본 발명에 의해 격벽형 갱구 구조물의 길이를　 산출하고, 양쪽 갱구 구조물은 지붕을 구비하도록 설치한 실시예이다.

본 발명은 단선 병렬터널의 격벽형 갱구 구조물에 관한 것으로, 특히 한쪽 터널에서 화재발생시 터널 갱구로부터 외부로 유출하게 되는 화재 연기가 외부 자 연풍과의 복합적인 결과로 화재가 발생하지 않은 다른 터널로 재유입되는 현상을 방지하는 단선 병렬터널의 격벽형 갱구 구조물에 관한 것이다.

현재 건설되어 운용중인 단선 병렬 형태의 철도터널 및 도로터널은 쌍굴의 갱구 위치가 평행하든지 도1에 도시된 바와 같이 "갱구 돌출형"으로 되어 있다. 갱구 돌출형 터널의 경우에는 두 터널 중의 한쪽 터널에서 나오는 매연 또는 화재연기가 다른 쪽 터널 갱구 안으로 유입되지 못하게 하는 목적으로도 국외에서는 설계하고 있다.

그러나, 갱구 돌출형 터널은 터널 갱구 주변의 자연풍의 영향(방향 및 크기)에 따라 재유입 방지의 목적을 상실하고 다른 쪽 터널로 스모크의 역류 재유입현상이 발생되는 문제점을 갖고 있다. 또한, 갱구 돌출형 터널은 터널을 연장하여 시공하므로 기술적인 면과 시간적인 면 및 비용적인 면에서 효율성이 떨어진다.

이러한 문제점은 본선터널 내에 제연 시스템을 적용한다 하여도 계절별로 터널내 열기류 방향과 화재상황에 따른 제연 방향이 바뀌기 때문에 해결되지 않는 난제로 그동안 여겨져 왔다.

따라서, 본 출원인이 선출원하여 등록받은 특허등록공보 제10-0576310호 "쌍굴터널 매연 및 화재연기의 역류방지를 위한 갱구 구조물"은 갱구 돌출형 터널의 비효율적인 면을 개선하기 위해 제안되었었다.

그러나, 이 특허는 상행선 터널에 화재가 발생한 경우에 대해 실험을 하여 그 실험결과를 단선 병렬터널에 적용하여 상행선 터널과 하행선 터널 사이에 하나 의 격벽을 설치하였기 때문에, 하행선 터널에서 화재가 발생한 경우에 대한 대책이 미흡하였다. 즉, 한쪽 터널에서 화재가 발생한 경우에만 적용되고 상행선 터널과 하행선 터널 사이의 간격도 고려하지 않은 문제점을 갖고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 단선 병렬터널에서 화재발생시 화재가 발생한 터널에서 나오는 매연 또는 화재연기가 인접한 다른 쪽 갱구로 재유입되지 않도록 할 수 있는 단선 병렬터널의 격벽형 갱구 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 단선 병렬터널의 한쪽 터널에서 나오는 매연 또는 화재연기가 외부 자연풍의 영향을 받아 인접한 다른 쪽 갱구로 재유입되지 않도록 할 수 있는 단선 병렬터널의 격벽형 갱구 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 평상시에는 단선 병렬터널에서 각각 독립적으로 공기 거동을 통제할 수 있도록 하여 인접 갱구로 매연이 유입되는 것을 막을 수 있는 단선 병렬터널의 격벽형 갱구 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 단선 병렬터널에서 터널 내에 제연설비 유무에도 상관없이 인접 갱구로 매연이 재유입되는 것을 막을 수 있는 단선 병렬터널의 격벽형 갱구 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 격벽형 갱구 구조물은 상행선 터널과 하행선 터널이 인접하여 구축된 단선 병렬터널에 있어서,

상기 상행선 터널과 하행선 터널이 서로 인접하는 갱구 측벽에 각각 격벽형 갱구 구조물을 터널 높이로 설치하고,

상기 터널의 갱구가 평행한 경우, 상기 격벽형 갱구 구조물의 길이는 다음의 식

……… (1)

에 의해 결정하고,

상기 상행선 터널과 하행선 터널의 갱구 중 어느 한쪽이 돌출한 돌출형 갱구이고 돌출길이 B를 갖는 경우,

상기 갱구가 돌출한 터널의 측벽 중 갱구가 돌출하지 않은 터널에 인접하는 측벽에 설치되는 격벽형 갱구 구조물의 길이는 상기 식 (1)에 의해 결정하고, 상기 갱구가 돌출하지 않은 터널의 측벽 중 갱구가 돌출한 터널에 인접하는 측벽에 설치되는 격벽형 갱구 구조물의 길이는 다음의 식

……… (2)

(여기서, A는 격벽 구조물의 길이[m]이고, B 는 갱구의 돌출길이[m]이고, C는 단선 병렬터널의 갱구 중심간격[m]이고, C≥17이며, D는 터널의 유효직경[m]이다.)

에 의해 결정하는 것을 특징으로 한다.

상기 상행선 터널과 하행선 터널의 갱구 중 어느 한쪽이 돌출한 돌출형 갱구이고 돌출길이가 2D이상인 경우, 상기 돌출한 터널의 측벽 중 다른 쪽 터널에 인접하는 측벽에만 갱구 구조물을 설치하고 그 길이는 다음의 식

……… (3)

(여기서, A는 격벽 구조물의 길이[m]이고, B 는 갱구의 돌출길이[m]이고, C는 단선 병렬터널의 갱구 중심간격[m]이고, C≥17이며, D는 터널의 유효직경[m]이다.)

에 의해 결정하는 것을 특징으로 한다.

상기 격벽형 갱구 구조물의 상행선 터널과 하행선 터널의 갱구 중 어느 한쪽이 돌출한 돌출형 갱구이고 돌출길이 B를 갖는 경우에 돌출길이 B의 크기에 상관없이 상행선 터널과 하행선 터널 양쪽 터널 갱구 측벽에 격벽을 설치하는 것을 특징으로 한다.

상기 격벽형 갱구 구조물의 재료는 콘크리트, 스틸의 데크 플레이트, 불투명, 반투명 또는 투명한 재료이거나 여러 재료를 복합적으로 적용하거나, 상부와 하부를 다른 재료를 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 격벽형 갱구 구조물의 재료는 승객들의 조망권을 확보하기 위하여 투명 한 재질을 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 격벽형 갱구 구조물의 재료는 주변 민가에 소음 차폐/방음을 확보하기 위하여 방음벽 재질을 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 격벽형 갱구 구조물은 철도인 경우, 구조해석시에 해당간격에서 예상되는 열차풍의 최대 반복하중 값도 반영하는 것을 특징으로 한다.

상기 격벽형 갱구 구조물은 말발굽형태의 터널형상에 맞추어 곡면설계를 하거나 지면에서 수직으로 설계되는 것을 특징으로 한다.

상기 격벽형 갱구 구조물은 격벽의 터널높이에서 방음벽처럼 안쪽 꺾임 형상으로 설계되는 것을 특징으로 한다.

상기 격벽형 갱구 구조물은 어느 하나의 갱구 구조물은 그 격벽의 터널높이에서 방음벽처럼 안쪽 꺾임 형상으로 설계하고, 다른 하나의 갱구 구조물은 지붕을 구비하도록 설계되는 것을 특징으로 한다.

상기 격벽형 갱구 구조물은 단선 병렬터널 양쪽 갱구 앞에서 각각 지붕을 구비하도록 설계되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 선출원하여 등록되어 있는 특허등록공보 제10-0576310호 “쌍굴터널 매연 및 화재연기의 역류방지를 위한 갱구 구조물”에 개시된 실험결과에 근거하여 마련되었다.

쌍굴터널은 상행선 및 하행선 2개의 터널이 간격을 두고 나란히 위치하여 있 다. 이러한 쌍굴터널은 한쪽 터널에서의 화재발생과 같은 비상 상황시 화재가 발생한 한쪽 터널 출구에서 유출되는 화재연기가 자연풍 및 터널 갱구 형상에 따라 상이한 거동을 나타낸다.

상기 특허에 개시된 실험은 화재발생시 모형터널 입출구 부근의 연기(스모크)가 어떻게 거동하는지 촬영하기 위하여 갱구 앞에 디지털 카메라 1대와 디지털 캠코더 1대를 설치하고, 상행선 터널에서의 유출 연기(스모크) 및 하행선 터널로의 역류 유입 연기(스모크)에 대한 가시화 정지영상 데이터를 획득하였다.

실험조건과 실험장치 제원 및 구성은 다음과 같다.

[실험조건]

단면적 28㎡ 실터널에 대한 1/61의 축척 모형터널 2개를 사용하여 쌍굴터널 갱구 부근에서의 스모크 거동 가시화실험을 수행하였다. 상행선 터널내 기류 속도는 화재 발생시 터널내 연기제어를 위한 임계속도 2m/s를 상사하여 적용하였다. 하행선 터널내 기류 속도도 동일하게 2m/s로 상사하여 적용하였다. Froude's rule을 적용한 상행선 및 하행선 모형터널내 기류속도는 다음과 같다.

실제 쌍굴터널 갱구 부근 자연풍 속도를 2m/s로 설정하여 Froude's rule을 적용하면 다음과 같다.

역류 유입 방지 구조물인 격벽형 갱구 구조물의 크기는 터널 유효직경(D)을 산출하여 설정하였다. 격벽 높이는 터널 높이와 동일하다.

철도 및 도로터널의 한쪽 터널 돌출 형상에 대하여 1D, 2D, 3D 길이로 터널길이방향 갱구 간격을 설정하여 스모크 거동 가시화실험을 수행하였다.

[실험장치 제원 및 구성]

단면적 28㎡인 실터널을 1/61로 축척한 사각형 단면적을 가지는 투명아크릴 모형터널 2개를 나란히 설치하여 실험을 수행하였다. 실험 설정값 및 주요 제원은 아래의 표1과 같다.

실험 설정값 및 실험장치 주요 제원

모형터널내 기류속도	상행선 : 0.234∼0.278m/s	실척 1.828∼2.171m/s
	하행선 : 0.236∼0.276m/s	실척 1.843∼2.156m/s
자연풍 속도	0.246∼0.262m/s	실척 1.921∼2.046m/s
모형터널	높이 : 84㎜	단면적 28㎡ 실터널
	폭 : 89㎜
격벽	높이 : 84㎜	터널 높이와 동일
	길이 : 1D, 2D, 3D, 4D	D = 터널유효직경
쌍굴터널 횡방향 간격	2D=195 mm	실척 약 12m
쌍굴터널 중심 간격	2D+2*(모형터널)*1/2	실척 약 17m

본 실험은 위와 같은 장치를 이용해 모형터널내 기류 및 자연풍은 소형팬을 이용하여 발생시켰으며 TSI 열선유속계를 이용하여 속도를 측정하였으며, 자연풍 방향은 0°, 15°, 30°, 45°로 설정하였으며, 이때 상행선 모형터널 길이방향에 대한 측면 방향이 "자연풍 방향 = 0°"이다.

모형터널 길이는 각각 2m이며, 끝단에 소형팬을 장착하여 한쪽 모형터널에서는 안으로 공기를 흡입(상행선 터널)하고, 다른 한쪽 모형터널에서는 공기를 배기(하행선 터널)하여 쌍굴터널내 기류를 형성하였다.(즉, 쌍굴터널 자체에서는 상행선 터널 갱구로부터 스모크가 배출이 되고, 하행선 터널 갱구로 주변공기가 흡입되는 최악의 조건을 만들어 격벽형 갱구 구조물의 성능을 시험하였다. 이러한 조건 하에서 추가적으로 자연풍을 생성시켜서 자연풍 방향에 따른 영향을 고찰 하였다.)

쌍굴모형터널 갱구 안쪽 30㎝ 위치에 상행선, 하행선 터널에 각각 열선유속계를 설치하여 유속을 측정하였으며 상행선 모형터널에서의 연기(스모크) 토출 위치는 갱구에서 안쪽으로 89㎝ 지점이다.

소형팬을 이용한 자연풍 생성 기준 방향은 상행선 터널 우측 방향이다. 이는 상행선 터널에서의 유출 스모크가 하행선 터널로 역류하는 흐름을 조장하기 위함이다.

상기 특허등록공보 제10-0576310호 "쌍굴터널 매연 및 화재연기의 역류방지를 위한 갱구 구조물"에 개시된 실험에서 쌍굴터널의 갱구 사이에 격벽이 없는 경우와 격벽이 설치된 상태에서의 갱구 부근 스모크 거동을 분석한 결과는 다음과 같다.

a) 격벽이 없는 경우 결과

- 갱구 간격이 증가함에 따라 스모크 역류 경향이 낮아졌다.

- 갱구 간격이 2D, 3D인 경우 약한 스모크 역류 경향이 나타났다.

- 갱구 간격이 3D인 경우 자연풍 방향이 30°이상에서 스모크 역류가 발생하지 않았다. 여기서, D는 터널의 유효직경이다.

b) 하행선 터널벽에 격벽이 위치한 경우 결과

하행선 터널벽에 격벽을 붙여 설치한 경우 스모크 거동분석 결과는 다음과 같다.

- 갱구 간격이 1D이상인 경우 모든 격벽 크기에 대하여 약한 역류 경향이 나타났다.

- 갱구 간격이 3D이고 격벽 크기가 4D인 경우 완전한 역류방지 효과가 나타났다.

c) 쌍굴터널 갱구 중간에 격벽이 위치한 경우 결과

쌍굴터널 갱구 중간에 격벽이 위치한 경우 스모크 거동분석 결과는 다음과 같다.

- 갱구 간격이 1D, 2D인 경우는 하행선 터널벽에 격벽을 설치한 경우보다 역류방지 효과가 작게 나타났다.

- 갱구 간격이 3D이상인 경우에는 역류방지 효과가 더 크게 나타났다.

- 갱구 간격이 3D일 때 격벽 크기가 4D인 경우 완전한 역류차단이 나타났다.

d) 상행선 터널벽에 격벽이 위치한 경우 결과

상행선 터널벽에 격벽을 붙여 설치한 경우 스모크 거동분석 결과는 다음과 같다.

- 상행선 터널벽에 격벽을 설치한 경우 하행선 터널벽이나 쌍굴터널 중간에 격벽을 설치한 경우에 비하여 가장 큰 역류방지 효과가 나타났다.

격벽 크기가 3D, 4D인 경우 완전한 역류차단이 나타났으며 1D, 2D인 경우에도 매우 약한 역류 경향이 나타났다.

- 모든 터널길이방향 갱구 간격 및 모든 자연풍에 대하여 격벽 크기 3D, 4D에서 완전한 역류차단이 나타났다.

- 격벽 설치 위치가 하행선 터널벽 및 쌍굴터널 중간인 경우와 비교하여 가장 뛰어난 역류차단효과가 나타났다.

상기 실험의 결과를 통해 입증된 격벽형 갱구 구조물의 화재연기 역류 유입 방지 효과는 다음과 같다.

① 터널길이방향, 갱구 간격이 증가할수록 역류 경향이 감소하였다.

② 상행선 터널벽에 격벽을 설치한 경우에 역류방지 효과가 가장 좋게 나타났으며 갱구 부근에서의 역류 경향 또한 약하게 나타났다.

③ 터널 갱구의 돌출 형상으로 상행선 터널에서의 스모크 유출에 대한 하행선으로의 역류방지가 효과가 미소하게 있기는 하나, 이 경우 터널 형상 그대로 외부로 돌출될 때 소요되는 건설비용이 상당하다.

④ 상행선 갱구 터널벽에 나란히 격벽을 설치하고 터널길이방향 갱구 돌출이 없을 때 역류방지 효과가 더 좋게 나타났다.

상기 실험결과에서 격벽 설치 위치, 격벽 크기, 터널길이방향 갱구 간격에 의한 역류방지 효과를 자연풍 방향별로 비교하기 위하여 각각 격벽 설치 위치, 격벽 크기, 터널길이방향 갱구 간격에 의한 역류방지 효과를 자연풍 방향별로 역류방지 효과를 나타내는 다이아그램을 도2 내지 도6에 도시한다.

도2는 자연풍이 없을 때 격벽 설치 위치, 격벽 크기, 터널길이방향 갱구 간격에 의한 역류방지 효과를 나타내고, 도3은 자연풍이 0°일 때 격벽 설치 위치, 격벽 크기, 터널길이방향 갱구 간격에 의한 역류방지 효과를 나타내고, 도4는 자연풍이 15°일 때 격벽 설치 위치, 격벽 크기, 터널길이방향 갱구 간격에 의한 역류방지 효과를 나타내고, 도5는 자연풍이 30°일 때 격벽 설치 위치, 격벽 크기, 터널길이방향 갱구 간격에 의한 역류방지 효과를 나타내고, 도6은 자연풍이 45°일 때 격벽 설치 위치, 격벽 크기, 터널길이방향 갱구 간격에 의한 역류방지 효과를 나타낸다.

그래프의 안쪽은 강한 역류경향을 나타내는 영역이고 바깥쪽으로 나올수록 약한 역류 경향을 나타내며 5개의 동심원은 안쪽부터 각각 가장 내부 2개의 동심원은 강한 역류 경향, 그 다음 2개의 동심원은 약한 역류 경향 그리고 가장 바깥쪽 동심원은 역류가 없음을 나타낸다.

이하에 상기 실험결과를 기반으로 단선 병렬터널의 상행선 터널과 하행선 터널 중 어느 하나의 터널에서 화재가 발생한 경우에 적용할 수 있고 상행선 터널과 하행선 터널 사이의 터널중심 간격도 고려하여 화재연기의 재유입을 방지하는 갱구 구조물의 설계방법을 설명한다.

도7에 단선 병렬터널에서 갱구의 위치가 서로 평행하는 경우 상행선 터널과 하행선 터널 양쪽 터널 갱구 측벽에 격벽을 설치하는 갱구 구조물이 도시된다.

단선 병렬터널에서 갱구의 위치가 서로 평행하는 경우 상행선 터널과 하행선 터널 양쪽 터널 갱구 측벽에 격벽을 설치하는 갱구 구조물(11)의 길이 A는 다음의 식 (1)로 표시된다.

단선 병렬터널에서 갱구의 위치가 서로 평행하는 경우 도2 내지 도6의 다이아그램에서 점선 그래프들을 비교하여 판단해 보면, 화재가 발생한 상행선 터널벽에 격벽을 설치하는 경우가 하행선 터널벽에 격벽을 설치하는 경우보다 역류를 방지하는 효과가 현저하게 높음을 알 수 있다.

또한, 도2, 도4 및 도5의 자연풍이 없을 때, 자연풍이 15°와 30°일 때, 상행선 터널벽에 격벽을 설치하는 경우 터널 유효직경의 3배와 4배의 격벽 길이 3D와 4D에서 역류를 방지하는 효과를 얻을 수 있고, 도3과 도6의 자연풍이 0°및 45°일 때, 터널 유효직경의 2배, 3배와 4배의 격벽 길이 2D, 3D와 4D에서 역류를 방지하는 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

그러나 자연풍이 없을 때와 자연풍이 15°일 때 격벽 길이가 3D이하인 경우 급격하게 역류방지 효과가 감소하므로 격벽 길이 3D이하는 채택하지 않는다.

또한, 하행선과 상행선 터널간 중심간격 C가 증가하면 그 중심간격의 증가분만큼 격벽형 갱구 구조물의 길이를 증가시키면 스모크 연기 차단효과가 유효하게 된다.

도8(a) 및 도8(b)에 터널간 중심간격 C의 길이를 갖는 갱구 구조물을 설치했을 때, 45°의 자연풍과 30°의 자연풍에서 역류 스모크의 차단효과를 나타낸다.

터널간 중심간격 C의 길이를 갖는 갱구 구조물(12)을 화재가 발생한 상행선 터널의 출구 측벽에 설치했을 때, 자연풍의 방향이 45°인 경우에는 자연풍에 의해 역류한 토출 스모크가 하행선 터널의 입구에 도달하는 위치는 도8(a)에 도시된 바와 같이 하행선 터널의 입구 경계이다.

자연풍의 방향이 30°인 경우에는 자연풍에 의해 역류한 토출 스모크가 하행선 터널의 입구에 도달하는 위치는 도8(b)에 도시된 바와 같이 터널간 중심간격 C의 대략 1.41배 길이이다.

이상의 실험 결과로부터 터널간 중심간격 C의 길이를 갖는 갱구 구조물(12)을 상행선 터널의 출구 측벽에 설치했을 때, 자연풍의 방향이 45°이상인 경우 상행선 터널에서 토출되는 스모크는 갱구 구조물(12)의 끝에서 역류하여 하행선 터널의 입구 경계에까지 도달하는 것을 알 수 있다.

그러므로, 자연풍의 각도에 관계없이 스모크의 역류를 완전히 차단할 수 있도록 그리고 화재는 상행선이든 하행선이든 어디에서 발생할지 모르므로 상기 실험의 결과에서, "d) 상행선 터널벽에 격벽이 위치한 경우, 상행선 터널벽에 격벽을 설치한 경우 하행선 터널벽이나 쌍굴터널 중간에 격벽을 설치한 경우에 비하여 가장 큰 역류방지 효과가 나타났다. 모든 터널길이방향 갱구 간격 및 모든 자연풍에 대하여 격벽 크기 3D, 4D에서 완전한 역류차단이 나타났다." 라는 결과에 근거하여 갱구 구조물(12)의 길이는 격벽길이 4D에 터널 간의 중심간격의 변화영향을 더한 길이로 한다.

통상 쌍굴 터널의 터널 중심간격은 구조적인 안정성과 발파 등의 영향을 고려하여 최소 17m 이상으로 하고 있으며, 터널 중심간격의 최소치를 17m로 하면 터널간의 중심간격 변화에 따른 영향은 (C-17)m가 된다.

따라서, 여기에 터널 중심간격 C의 영향에 대한 안전율을 2배로 주어 안전율 계수를 2로 적용하면 격벽형 갱구 구조물의 길이를 산출하는 식은 다음의 식 (1)과 같이 정리할 수 있다.

……… (1)

(여기서, A는 격벽 구조물의 길이[m]이고, C는 단선 병렬터널의 갱구 중심간격[m]이고, C≥17이며, D는 터널의 유효직경[m]이다.)

도9에 평행한 갱구일 경우 본 발명에 의해 격벽형 갱구 구조물의 길이를 산출하여 설치한 실시예가 도시된다.

단선 병렬터널의 하행선 갱구와 상행선 갱구가 평행할 경우 상기 (1) 식에 의해 격벽 구조물의 길이를 산출하고, 상기 상행선 터널과 하행선 터널이 서로 인접하는 갱구 측벽에 각각 격벽형 갱구 구조물(11)을 터널 높이로 설치한다.

도10에 돌출형 단선 병렬터널의 한쪽 갱구가 돌출길이 B를 갖는 경우에 상행선 터널과 하행선 터널 양쪽 터널 갱구 측벽에 격벽을 설치하는 갱구 구조물이 도시된다.

평행한 갱구뿐만 아니라 도10에 도시된 갱구 돌출길이 B를 갖는 경우에도 상행선 터널벽에 설치하는 갱구 구조물(13)의 길이 A는 상기 식 (1)로 표시된다.

한편, 화재는 상행선 터널과 하행선 터널 어느 쪽에서도 발생할 수 있기 때문에, 도10에 도시된 단선 병렬터널의 갱구 한쪽이 돌출길이 B를 갖는 경우에 하행선 터널벽에 설치하는 갱구 구조물(14)의 길이 A는 하행선 터널의 갱구가 상행선 터널의 갱구보다 B만큼 짧으므로 상행선 터널벽에 설치된 갱구 구조물(13)의 길이와 동일하게 되도록 식(1)에 갱구 돌출길이 B를 더하여 다음의 식 (2)로 표시된다.

……… (2)

도10과 같이 단선 병렬터널의 갱구 한쪽이 돌출길이 B를 갖는 경우에 하행선 터널벽에 설치하는 갱구 구조물(14)의 길이 A를 산출하는 방법은 다음과 같다.

우선 하행선 터널 갱구 측벽에 상행선 터널의 돌출길이 B만큼 격벽 구조물의 길이를 연장해 주면 터널 갱구가 평행한 경우와 스모크 차단조건이 같아진다.

하행선 터널벽에 설치하는 격벽형 갱구 구조물(14)은 하행선 터널이 화재가 발생한 터널일 경우이므로 이 경우에는 도10의 하행선 터널이 도2 내지 도6에서는 상행선 터널에 해당되며, 실험결과 그래프인 도2 내지 도6에서 상행선에 대한 결과를 분석하면 된다.

즉, 상행선 터널에서 화재가 발생한 경우에 대한 실험 결과인 도2 내지 도6에서 명시한 "상행선 터널에 격벽 설치" 경우의 실험결과를 그대로 따르면 된다. 즉, 이와 같이 식 (2)가 도출된다.

그러나 화재는 상행선 터널과 하행선 터널 어느 쪽에서도 발생할 수 있기 때문에, 한쪽 터널이 돌출길이 B를 갖는 돌출형 단선 병렬터널의 경우에 상행선 터널벽에 설치하는 갱구 구조물(13)의 길이 A는 상기 식 (1)을 적용하여 평행 갱구일 때의 길이와 동일한 길이가 되게 한다.

도11에　단선 병렬터널에서 한쪽이 돌출된 갱구일 경우 본 발명에 의해 갱구 구조물의 길이를　산출하여 설치한 실시예가 도시된다.

상행선 터널벽에 설치하는 갱구 구조물(13)은 상기 식 (1)을 적용하여 그 길이 A를 산출하여 설치하고, 하행선 터널벽에 설치하는 갱구 구조물(14)은 식 (2)를 적용하여 그 길이 A를 산출하여 설치한다.

도12에 돌출형 단선 병렬터널의 갱구 돌출길이 B가 2D이상인 경우에 상행선 터널벽에만 격벽을 설치하는 갱구 구조물이 도시된다.

도시된 바와 같이 돌출길이 B가 2D이상인 돌출형 단선 병렬터널의 갱구일 경우에는 상행선 터널벽에 갱구 구조물(15)을 설치할 때, 도2 내지 도6의 다이아그램의 가는 실선 그래프와 굵은 실선 그래프들을 비교하여 보면, 갱구의 돌출길이가 2D인 가는 실선 그래프 및 갱구의 돌출길이가 3D인 굵은 실선 그래프의 경우 도2의 자연풍이 없을 때를 제외하고는 격벽의 길이가 1D이상이면 역류가 발생하지 않는다.

따라서, 갱구의 돌출길이가 3D인 경우 격벽형 갱구 구조물의 길이를 2D로 하면 도2의 자연풍이 없을 때, 역류가 발생할 수도 있는 것으로 나타나므로, 격벽형 갱구 구조물의 길이를 2D로 하는 경우를 제외하고 3D로 하여야 역류를 방지하는 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

여기에 터널 중심간격의 영향을 고려하여 그것에 대한 안전율을 2배로 주어 안전율 계수를 2로 적용하면 갱구돌출 B의 길이가 2D이상인 경우의 격벽형 갱구 구조물(15)의 길이 A 는 다음의 식 (3)와 같이 정리할 수 있다.

……… (3)

도12에서 돌출형 단선 병렬터널의 갱구 돌출길이 B가 2D이상인 경우에도 상행선 터널과 하행선 터널의 어느 쪽 터널에서 화재가 발생할 수 있는데 상행선 터널에서 화재가 발생한 경우에는 스모크 재유입 방지효과를 나타내지만 하행선 터널에서 화재가 발생한 경우에는 스모크 재유입 방지효과가 감소된다.

따라서 갱구 돌출길이 B가 2D이상인 경우에도 도10 및 도11과 같이 단선 병렬터널의 갱구 양쪽에 격벽형 갱구 구조물을 설치하는 방법을 권장한다.

도13에 단선 병렬터널에서 한쪽이 돌출되고 갱구 돌출길이 B가 2D이상인 경우에 본 발명에 의해 갱구 구조물의 길이를 산출하여 설치한 실시예가 도시된다.

돌출형 단선 병렬터널의 상행선 갱구의 측벽 중 하행선 갱구에 인접한 측벽에 상기 (3) 식에 의해 산출된 길이와 터널의 높이로 격벽형 갱구 구조물(15)을 설치한다.

상기 격벽형 갱구 구조물의 재료는 콘크리트, 스틸의 데크 플레이트 등의 불에 잘 타지 않거나 타지 않는 어떤 재료를 사용해도 무방하다. 그리고 방음벽에 사용하는 재료나 또는 여러 재료를 복합적으로 적용할 수 있으며 상부와 하부를 다른 재료로도 적용할 수 있다. 또한 승객들의 조망권을 확보하기 위하여 투명한 재질을 사용할 수도 있다.

상기 격벽형 갱구 구조물은 철도나 도로의 방음벽 설계요령을 참고하되, 철도의 경우에는 선로와 보다 가깝기 때문에 구조해석시에 해당간격에서 예상되는 열차풍의 최대 반복하중 값도 반영하여야 한다.

상기 격벽형 갱구 구조물의 기본형은 말발굽형태의 터널형상에 맞추어 곡면설계를 하거나 지면에서 수직으로 설계를 할 수 있다. 그러나 구조물의 미적인 외관을 고려하여 지면에서 상부로 이어지는 형상 설계상의 변형이 가능하다. 단, 터널 내공의 최대높이까지 갱구 외부에서 격벽을 형성하기만 하면 설계사양은 만족한다.

도14에 평행한 갱구일 경우 본 발명에 의해 격벽형 갱구 구조물의 길이를 산출하여 격벽의 터널높이에서 방음벽처럼 안쪽 꺾임 형상으로 설계하여 설치한 실시예가 도시된다.

부가적으로 도14에 도시된 바와 같이 격벽의 터널높이에서 방음벽처럼 안쪽 꺾임 형상으로 설계하면 화재 스모크 또는 매연의 차단효과가 더 향상되기는 하나 설치상의 어려움이 있는 경우에는 생략할 수 있다.

도15에 평행한 갱구일 경우 본 발명에 의해 격벽형 갱구 구조물의 길이를 산출하고, 어느 하나의 갱구 구조물은 그 격벽의 터널높이에서 방음벽처럼 안쪽 꺾임 형상으로 설계하고, 다른 하나의 갱구 구조물은 지붕을 구비하도록 설치한 실시예가 도시된다.

도16에 평행한 갱구일 경우 본 발명에 의해 격벽형 갱구 구조물의 길이를　 산출하고, 양쪽 갱구 구조물은 지붕을 구비하도록 설치한 실시예가 도시된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 단선 병렬터널에서 상행선 터널과 하행선 터널 중 어느 한쪽 터널에서 화재가 발생한 경우에도 적용될 수 있도록 하였으며, 또한, 상행선 터널과 하행선 터널 사이의 간격을 고려하여 갱구 구조물의 길이를 결정할 수 있도록 하였다.

Claims (11)

1. 상행선 터널과 하행선 터널이 인접하여 구축된 단선 병렬터널에 있어서,

   상기 상행선 터널과 하행선 터널이 서로 인접하는 갱구 측벽에 각각 격벽형 갱구 구조물을 터널 높이로 설치하고,

   상기 터널의 갱구가 평행한 경우, 상기 격벽형 갱구 구조물의 길이는 다음의 식

   

   ……… (1)

   에 의해 결정하고,

   상기 상행선 터널과 하행선 터널의 갱구 중 어느 한쪽이 돌출한 돌출형 갱구이고 돌출길이 B를 갖는 경우,

   상기 갱구가 돌출한 터널의 측벽 중 갱구가 돌출하지 않은 터널에 인접하는 측벽에 설치되는 격벽형 갱구 구조물의 길이는 상기 식 (1)에 의해 결정하고, 상기 갱구가 돌출하지 않은 터널의 측벽 중 갱구가 돌출한 터널에 인접하는 측벽에 설치되는 격벽형 갱구 구조물의 길이는 다음의 식

   

   ……… (2)

   (여기서, A는 격벽 구조물의 길이[m]이고, B 는 갱구의 돌출길이[m]이고, C는 단선 병렬터널의 갱구 중심간격[m]이고, C≥17이며, D는 터널의 유효직경[m]이다.)

   에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 단선 병렬터널의 갱구 구조물.
2. 제1항에 있어서, 상기 상행선 터널과 하행선 터널의 갱구 중 어느 한쪽이 돌출한 돌출형 갱구이고 돌출길이가 2D이상인 경우, 상기 돌출한 터널의 측벽 중 다른 쪽 터널에 인접하는 측벽에만 갱구 구조물을 설치하고 그 길이는 다음의 식

   

   ……… (3)

   (여기서, A는 격벽 구조물의 길이[m]이고, B 는 갱구의 돌출길이[m]이고, C는 단선 병렬터널의 갱구 중심간격[m]이고, C≥17이며, D는 터널의 직경[m]이다.)

   에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 단선 병렬터널의 갱구 구조물.
3. 제1항에 있어서, 상기 격벽형 갱구 구조물의 상행선 터널과 하행선 터널의 갱구 중 어느 한쪽이 돌출한 돌출형 갱구이고 돌출길이 B를 갖는 경우에 돌출길이 B의 크기에 상관없이 상행선 터널과 하행선 터널 양쪽 터널 갱구 측벽에 격벽을 설치하는 것을 특징으로 하는 단선 병렬터널의 갱구 구조물.
4. 제1항에 있어서, 상기 격벽형 갱구 구조물의 재료는 콘크리트, 스틸의 데크 플레이트이거나 여러 재료를 복합적으로 적용하거나, 상부와 하부를 다른 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 단선 병렬터널의 갱구 구조물.
5. 제1항에 있어서, 상기 격벽형 갱구 구조물의 재료는 승객들의 조망권을 확보하기 위하여 투명한 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 단선 병렬터널의 갱구 구조물.
6. 제1항에 있어서, 상기 격벽형 갱구 구조물은 구조해석시에 해당간격에서 예상되는 열차풍의 최대 반복하중 값도 반영하는 것을 특징으로 하는 단선 병렬터널의 갱구 구조물.
7. 제1항에 있어서, 상기 격벽형 갱구 구조물의 재료는 주변민가에 미치는 소음을 차단하기 위한 방음벽 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 단선 병렬터널의 갱구 구조물.
8. 제1항에 있어서, 상기 격벽형 갱구 구조물은 말발굽형태의 터널형상에 맞추어 곡면설계를 하거나 지면에서 수직으로 설계되는 것을 특징으로 하는 단선 병렬터널의 갱구 구조물.
9. 제1항에 있어서, 상기 격벽형 갱구 구조물은 격벽의 터널높이에서 방음벽처럼 안쪽 꺾임 형상으로 설계되는 것을 특징으로 하는 단선 병렬터널의 갱구 구조물.
10. 제1항에 있어서, 상기 격벽형 갱구 구조물은 어느 하나의 갱구 구조물은 그 격벽의 터널높이에서 방음벽처럼 안쪽 꺾임 형상으로 설계하고, 다른 하나의 갱구 구조물은 지붕을 구비하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 단선 병렬터널의 갱구 구조물.
11. 제1항에 있어서, 상기 격벽형 갱구 구조물은 터널 갱구 양쪽에 각각 지붕을 구비하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 단선 병렬터널의 갱구 구조물.

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