KR20100082073A - 터널 내 자연환기력의 측정방법 - Google Patents

터널 내 자연환기력의 측정방법 Download PDF

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KR20100082073A
KR20100082073A KR1020090001381A KR20090001381A KR20100082073A KR 20100082073 A KR20100082073 A KR 20100082073A KR 1020090001381 A KR1020090001381 A KR 1020090001381A KR 20090001381 A KR20090001381 A KR 20090001381A KR 20100082073 A KR20100082073 A KR 20100082073A
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이창우
신현준
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동아대학교 산학협력단
한국건설기술연구원
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Abstract

본 발명은 터널 입구로부터 투영거리의 증가에 따라 터널 주변 지형의 누적 투영면적을 나타내는 투영거리별 기압장벽고를 산출하는 단계; 상기 산출된 투영거리별 기압장벽고의 변화에 있어 특정값으로 수렴되는 기압장벽고를 정하여 최고 기압장벽고를 정하는 단계; 및 상기 최고 기압장벽고로부터 자연환기력(NVF)을 추정하는 단계;를 포함하는 터널 내 자연환기력의 측정방법을 개시한다. 본 발명에 따른 터널 내 자연환기력 측정방법을 이용하면, 터널 주변의 지형을 반영한 자연환기력을 정량화하고 정확하게 예측함으로써 환기 설비용량, 환기 및 방재 시스템의 운영에 최적화를 달성할 수 있을 것이다.
자연환기력, 기압장벽고, 터널, 제트팬

Description

터널 내 자연환기력의 측정방법{Method of measuring natural ventilation force in tunnel}
본 발명은 터널 내 자연환기력의 측정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기압장벽고를 이용한 터널 내 자연환기력의 측정방법 및 이를 이용한 터널내 환기시스템에 관한 것이다.
교통량이 증가함에 따라 도로 터널 내에서 자동차로부터 배출되는 오염공기의 환기를 위하여 자연환기가 용이한 터널의 구조를 갖추거나 기계적인 환기시스템을 갖추어 양호한 환경을 유지하기 위한 필요성이 증가되고 있다.
도로 터널에서의 환기는 터널을 주행하는 차량 운전자의 안전성·쾌적성 및 유지·보수 관리를 위한 작업자의 작업환경을 확보하기 위한 것이다. 터널의 환기는 다양한 종류의 시스템에 의해서 신선한 공기를 터널 내로 유입시켜 자동차 배출가스 중에 포함되어 있는 유해물질을 희석하는 것이다.
자동차로부터 배출되는 유해물질인 일산화탄소, 질화산화물 및 황산화물 등은 도로 터널 내부를 혼탁하게 하여 자동차 주행에 영향을 줄 뿐만 아니라 호흡기 계통에 영향을 주어 적절한 처리를 필요로 하고 있다.
또한 평상시 이외에도 터널 내부에서 사고가 발생하는 경우 내부에 신선한 공기가 유입되어 인명과 재산을 보호할 수 있어야 한다. 터널 내부에서 차량 사고가 발생하는 경우 일반 도로와는 달리 신속한 처리가 늦어질 경우 오염된 공기와 열로 인하여 추가적인 인명 손실의 우려가 크고 자연환기식 터널에서는 이러한 위험성이 더욱 커지게 된다.
도로터널에서의 환기방식은 교통조건, 지형·지물·지질조건·환기의 질, 환경조건에 따라 달리 정해지며, 국내 도로의 특성상 연장이 1,000m 미만인 도로터널에서는 자연환기 방식에 의한 터널 환기가 주류를 이루고 있으며, 연장 1,000m 이상의 도로터널에서는 제트팬을 이용한 종류식 터널 환기 방식이 널리 적용되고 있다.
따라서 최근 도로터널의 장대화에 따른 환기 및 방재시스템의 최적화를 필요로 하고 있다. 도로터널 관련 환기력에 영향을 크게 미치고 정량화가 어려운 것이 자연환기력(Natural Ventilation Force, NVF)이다. 자연환기력은 방향 및 크기의 분산이 큰 편이고 순간적인 변동특성을 보이고 있으므로 비상시의 팬용량 및 팬 제어방식의 결정이 터널의 안전성에 가장 중요한 변수이다.
자연환기력은 지형적인 요인, 풍압요인 그리고 터널 내외부 온도차에 따른 굴뚝효과 등의 요인으로 생성된다. Roche(1991)는 기압장벽고(barometric barrier)개념을 도입하여 지형과 풍압에 의한 자연환기력의 최대값을 추정하는 방법을 제안하였다.
도 1은 Roche가 제안한 기압장벽고의 추정방법을 도식화한 것이다. 도 1을 참고하면, 터널 입구의 횡단면으로 볼 때, 터널 좌우 양쪽으로 각각 터널 총길이(L)에 해당하는 길이만큼 지형의 높이(H1, H2)를 고려하여 기압장벽고를 산출하는 것이다.
그러나 이러한 방식에 의한 기압장벽고의 산출은 터널의 전체 길이 동안 고려대상 범위의 차이, 거리에 따른 지형의 변화 영향을 감안하지 않고 단지 터널 입구에서의 지형만을 고려하고 있다. 그러므로 터널 입구의 지형 고도만 동일하게 되면 기압장벽고가 동일하게 산출된다는 문제점이 있다. 기압장벽고 개념의 도입은 바람직하지만, 이를 자연환기력으로 환산하였을 때 오류가 발생할 확률이 커지는 것이다.
따라서 도로터널의 환기기술의 선진화를 도모하며 기술적, 환경적, 경제적, 안전성 측면에서 최적화한 시스템을 도입하기 위한 정확한 기압장벽고 및 자연환기력의 측정방법을 필요로 하고 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 도로 터널의 장대화에 따른 환기 및 방재시스템을 최적화하기 위하여 터널 입구로부터 모든 지형단면을 거리별로 투영하여 기압장벽고의 거리별 변화를 고려한 자연환기력의 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 입구로부터 모든 지형단면을 거리별로 투영하여 기압장벽고의 거리별 변화를 고려한 자연환기력을 이용한 터널 내 환기시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
터널 입구로부터 투영거리의 증가에 따라 터널 주변 지형의 누적 투영면적을 나타내는 투영거리별 기압장벽고를 산출하는 단계;
상기 산출된 투영거리별 기압장벽고의 변화에 있어 특정값으로 수렴되는 기압장벽고를 정하여 최고 기압장벽고를 정하는 단계; 및
상기 최고 기압장벽고로부터 자연환기력(NVF)을 추정하는 단계;를 포함하는 터널 내 자연환기력의 측정방법을 제공한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
터널 입구로부터 투영거리의 증가에 따라 터널 주변 지형의 누적 투영면적을 나타내는 투영거리별 기압장벽고를 산출하는 단계;
상기 산출된 투영거리별 기압장벽고의 변화에 있어 특정값으로 수렴되는 기압장벽고를 정하여 최고 기압장벽고를 정하는 단계; 및
상기 최고 기압장벽고(H)로부터 다음의 수학식 1을 통하여 최대 자연환기력(NVF)을 계산하는 단계;를 포함하는 터널 내 자연환기력의 측정방법을 제공한다:
Pa max = 0.4 * H
Pa max : 자연환기력의 최대값 (Pa)
H: 최고 기압장벽고 (m)
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
상기의 터널 내 자연환기력 측정방법으로 산출한 자연환기력을 이용하여 설치되는 터널 내 환기시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 터널 내 자연환기력 측정방법을 이용하면, 터널 주변의 지형을 반영한 자연환기력을 정량화하고 정확하게 예측함으로써 환기 설비용량, 환기 및 방재 시스템의 운영에 최적화를 달성할 수 있을 것이다.
이하 도면을 참고하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 터널 입구로부터 투영거리의 증가에 따라 터널 주변 지형의 누적 투영면적을 나타내는 투영거리별 기압장벽고를 산출하는 단계; 상기 산출된 투영거 리별 기압장벽고의 변화에 있어 특정값으로 수렴되는 기압장벽고를 정하여 최고 기압장벽고를 정하는 단계; 및 상기 최고 기압장벽고로부터 자연환기력(Natural Ventilation Force, NVF)을 추정하는 단계;를 포함하는 터널 내 자연환기력의 측정방법을 제공한다.
기압장벽고(barometric barrier)는 터널축방향으로 부는 외부풍의 진행방향에 놓인 장애벽면의 크기를 의미한다. 누적 투영면적은 풍압에 영향을 미치는 장애벽면의 총면적으로서 특정위치의 터널횡단면에 터널입구로부터의 주변지형을 모두 투영한 면적으로 정의할 수 있다. 장벽고(H)는 투영면적과 면적이 같은 가상의 직사각형의 높이로 정의함으로써 어떠한 형태의 지형도 비교적 정확하게 정의할 수 있다. 구체적으로, 기압장벽고는 터널의 평균표고 위 부분에 놓인 투영면적과 같은 가상의 직사각형(가로는 터널길이의 2배)의 높이(세로)이다.
도 2는 본 발명에 따른 기압장벽고를 간략하게 도시한 그림이다. 도 2를 참고하면, 터널을 중심으로 좌우로 터널 길이(L)만큼의 지면으로부터 지상방향의 지형을 검은색으로 표시하여 기압장벽고를 나타내었다. 여기서 검은색으로 표시된 부분은 터널 입구에서 만의 누적 면적을 도시한 것은 아니고, 터널 입구로부터 투영거리까지의 누적된 투영면적을 나타내는 것이다. 도 2에 도시된 소정의 높이(H)는 검은색으로 표시된 부분을 고르게 하였을 때의 높이를 가정하여 표시한 것이다.
투영거리별 기압장벽고는 누적 투영면적에서 터널의 평균 표고(標高)를 제외한 가상의 높이이다. 따라서 도 2에서 높이 H에서 터널의 평균 표고를 제외한 가상의 높이가 특정 투영거리에서의 기압장벽고가 된다. 기압장벽고는 누적된 투영면적 을 나타내기 때문에 투영거리의 증가에 따라 투영거리별 기압장벽고는 점진적으로 증가하게 될 것이다. 자연환기력을 추정하기 위하여 기압장벽고를 산출하여야 하고, 기압장벽고가 수렴하게 되는 투영거리를 기준으로 산출한 기압장벽고를 최고 기압장벽고라 한다.
터널의 양방향에 동일한 자연풍이 작용한다면 터널의 입구와 출구에 작용하는 풍압의 크기는 입구 및 지형의 형태에 의하여 결정되므로 입출구에 작용하는 자연환기력의 비는 입출구의 기압장벽고의 비와 동일할 것이다. 따라서 측정된 양방향의 자연환기력 최대값의 비와 동일한 양방향 기압장벽고의 비를 가지는 투영단면적의 위치를 적정위치로 판단하고, 기압장벽고와 최대 자연환기력의 비를 구하였으며, 최고 기압장벽고 1m 당 자연환기력의 증가율(Pa/m)은 0.35 내지 0.42Pa/m인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 터널 입구로부터 투영거리의 증가에 따라 터널 주변 지형의 누적 투영면적을 나타내는 투영거리별 기압장벽고를 산출하는 단계; 상기 산출된 투영거리별 기압장벽고의 변화에 있어 특정값으로 수렴되는 기압장벽고를 정하여 최고 기압장벽고를 정하는 단계; 및 상기 최고 기압장벽고(H)로부터 다음의 수학식 1을 통하여 최대 자연환기력(NVF)을 계산하는 단계;를 포함하는 터널 내 자연환기력의 측정방법을 제공한다:
[수학식 1]
Pa max = 0.4 * H
Pa max : 자연환기력의 최대값 (Pa)
H: 최고 기압장벽고 (m)
즉, 현장실험결과 자연환기력의 최대가능값(Pa max )과 기압장벽고 간의 관계는 약 0.4Pa/m가 바람직하고, 기압장벽고 1m 당 자연환기력은 0.4Pa 증가한다는 것을 나타내는 것이다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 터널 내 자연환기력 측정방법으로 산출한 자연환기력을 이용하여 설치되는 터널 내 환기시스템을 제공한다. 터널의 연장에 따른 규정된 환기방식은 정의되지 않으나, 연장이 약 1,000m 미만인 도로터널에서는 자연환기 방식에 의한 터널 환기가 주류를 이루고, 연장 1,000m 이상의 도로터널에서는 젯트팬을 이용한 종류식 터널 환기 방식이 널리 적용되고 있다.
본 발명의 터널 내 환기시스템은 구체적인 환기장치를 한정하지 않으며, 본 발명의 자연환기력 측정방법을 통하여 산출된 자연환기력을 이용하여 환기시스템을 구성하는 경우 이에 해당한다고 할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예를 들어 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 터널 내 자연환기력의 측정방법에 따른 자연환기력과, 실제 현장에서 측정한 자연환기력을 비교하는 실험을 행하였다. 현장계측에 의한 자연환기력 분석을 위하여 대구-포항간 고속도로에 위치하는 임고 4터널, 고창-담양간 고속도로에 위하는 장성 3터널, 고창-장성간 고속도로에 위치하는 문수산터널, 청원-상주간 고속도로에 위치하는 피반령터널에서 현장측정을 진행하였으며, 자연환기력 분석에 사용된 터널들의 주요제원은 표 1에 나타내었다.
터널명 길이
(m)		 단면적
(m2)		 대표직경
(m)		 평균구배
(%)		 환기
방식		 환기설비 기준방향 반대방향 분석방법 계측기간
임고4 1667 101.2 11.35 2.29 종류식 제트팬
(φ1530)
8대		 대구방향 포항방향 경정기압차 2006.5.31~
2006.6.12
(13일간)
장성3 3581 75.45 8.52 -0.5 종류식 제트팬
(φ1030)
10대		 대전방향 순천방향 터널내부풍속 2007.2.7~4.15
10.5~10.19
(30일간)
문수산 3820 76.1 8.8 0.5 종류식 제트팬
(φ1030)
10대		 고창방향 담양 경정기압차 2007.01.23~2.1
(10일간)
피반령 2040 76.3 11.2 -1.4 종류식 제트팬
(φ1030)
9대		 청원방향 상주방향 경정기압차 2008.3.18~3.29
(12일간)
현장계측에 의한 자연환기력은 크게 두 가지 방식으로 분석하며, 그 첫 번째 방법은 터널 입출구의 경정기압차를 이용하는 방법과 터널내부의 자연환기력에 의한 기류유동속도를 이용한 방법이 있다. 경정기압차방식은 터널 입출구의 기압, 온도, 상대습도, 및 고도를 이용하여 측정되며, 기류유도속도방식은 터널내부의 풍속과 교통량데이터를 이용한다.
임고4터널은 입출구의 경정기압차를 이용한 방식으로 분석하였으며, 장성3터널은 기류유동속도를 이용한 방법으로 분석하였다. 분석결과 자연환기력의 범위는 임고4터널의 경우 -92.38 ~ 54.15Pa, 장성3터널의 경우 -98.6 ~ 54.7Pa 로 나타났고, 이를 각각 도 3a 및 도 3b, 도 4a 및 도 4b에 나타내었다. 도 3a 및 도 3b, 도 4a 및 도 4b를 참고하면 모두 전형적인 대수정규분포를 보이고 있다. 즉, 일반적으로 자연환기력이 적은 경우가 대부분이지만, 자연환기력이 아주 크게 나타나 터널의 환경성 및 안전성에 심각한 문제를 야기할 가능성이 있음을 의미한다.
도 4c는 장성3터널의 대전 및 순천방향으로 각각의 계측데이터로 양방향의 자연환기력을 분석한 결과를 도시한다. 도 4c는 매우 유사한 자연환기력 분포패턴을 보이고 있다. 지형적으로 양터널이 대칭 형태를 가지고 있고 외부기상조건과 내부환경이 유사하므로 쌍굴터널의 경우 각각에 작용하는 자연환기력은 이론적으로도 매우 유사한 자연환기력 범위를 보이게 된다.
도 5 및 도 6은 각각 임고4터널과 장성3터널의 투영거리별 기압장벽고를 도시한다. 도 5 및 도 6을 참고하면, 투영거리의 증가에 따라 기압장벽고가 증가하는 것을 나타내고 있으며 이는 터널 양방향 모두에서 동일한 결과를 나타낸다.
기압장벽고를 측정하여 자연환기력을 추정한 데이터와 실제 터널현장별로 자연환기력을 측정값를 비교한 결과를 표 2 및 표 3에 나타내었다. 임고4터널과 장성3터널은 2차에 걸친 실험을 행하였으며, 상기 두 터널의 1차 실험결과를 표 2에 나타내고, 상기 두 터널의 2차 실험 결과를 표 3에 나타내었다:
터널명 방향 측정 NVF 투영거리
(m)		 기압장벽고
(m)		 측정 NVF/기압장벽고
(Pa/m)
최대값(Pa) 비(+/-)
임고4터널 대구방향(+) 54.15 0.586 705 153.2 0.354
포항방향(-) 92.38 261.3
장성3터널 대전방향(+) 54.7 0.555 580 112.8 0.402
순천방향(-) 98.6 205.1
시험장소 시험일 방향 측정 자연환기력(Pa) 투영거리(m) 최고
기압장벽고(m)		 측정자연환기력/
최고
기압장벽고(Pa/m)
대구-포항간 임고4고속도로터널 2006/07/22-2006/08/21 대구(+) 54.15 705 153.2 0.353
포항(-) 92.4 261.3 0.354
고창-장성간 문수산고속도로터널 2006/12/09-2007/01/31 고창(+) 36.9 672 82.0 0.451
장성(-) 97.7 216.7 0.451
대전-순천간 장성3고속도로터널 2007/02/07-2007/02/14
2007/05/22-2007/06/04
2007/10/05-2007/10/25		 대전(+) 84.9 786 176.1 0.482
순천(-) 108.9 226.0 0.482
청원-상주간 피반령고속도로터널 2008/03/10-2008/03/29 상주(+) 67.4 1000 252.7 0.267(주1)
청원(-) 70.2 188.4 0.373
계 4개터널(6회실험) 0.421 (주2)
(주 1): 자연환기력 측정상의 문제로 자연환기력 대비 기압장벽고의 크기를 정량화 범위의 현장 자료에 포함하지 않음.
(주 2): (주1)의 0.267를 제외한 나머지 현장 자료에 의한 결과치임.
표 2 및 표 3의 분석결과 투영단면의 거리는 임고4터널의 경우 705m, 장성터널은 560m였고, 기압장벽고 1m 당 NVF의 증가율(Pa/m)는 0.35~0.40 Pa/m 범위로 Roche가 제안한 0.40과 유사한 값을 보였다.
도 7a 내지 도 7k는 장성3터널의 터널 입구로부터 투영거리를 100m 씩 이동함에 따라 변하는 지형의 누적투영면적을 보여주는 그래프이다. 도 7a 내지 도 7k를 참고하면, 100m 내지 1000m의 범위에서 투영거리를 이동하면서 투영거리에 놓인 투영면에 입구로부터 투영면사이에 놓인 모든 지형을 투영한 투영도이다. 투영거리가 멀어질수록 투영면적은 점차 커지게 된다는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 피반령터널의 투영거리와 기압장벽고의 관계를 도시한 그래프이다. 도 8을 참고하면, 투영면적은 투영거리의 증가에 따라 점진적으로 증가하므로 기압장벽고 또한 증가한다는 것을 확인할 수 있다. 투영거리가 증가함에 따라 기압장벽고의 증가율은 점차 감소하여 소정의 값으로 수렴하게 된다. 이러한 수렴하는 기압장벽고를 최고 기압장벽고가 된다.
이상의 실험결과로부터 터널 주변의 지형을 정확하게 반영한 기압장벽고를 산출할 수 있고, 이러한 기압장벽고를 실제 측정한 자연환기력과 비교함으로써 기압장벽고와 자연환기력의 관계를 도출할 수 있었다. 따라서 본 발명에 따르면, 터널 주변의 지형을 통한 기압장벽고에 의하여 터널 내 자연환기력을 측정할 수 있다는 것을 확인하였다.
도 1은 종래기술에 의한 기압장벽고 측정방법을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 기압장벽고 측정방법을 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 임고 4터널의 자연환기력 분포를 도시한 것이다.
도 4a 내지 도 4c는 장성 3터널의 자연환기력 분포를 도시한 것이다.
도 5는 임고 4터널의 투영거리별 기압장벽고를 도시한 것이다.
도 6은 장성 3터널의 투영거리별 기압장벽고를 도시한 것이다.
도 7a 내지 도 7k는 장성 3터널의 투영거리별 기압장벽고와의 변화를 도시한 것이다.
도 8은 피반령터널의 투영거리와 기압장벽고의 관계를 도시한 그래프이다.

Claims (10)

  1. 터널 입구로부터 투영거리의 증가에 따라 터널 주변 지형의 누적 투영면적을 나타내는 투영거리별 기압장벽고를 산출하는 단계;
    상기 산출된 투영거리별 기압장벽고의 변화에 있어 특정값으로 수렴되는 기압장벽고를 정하여 최고 기압장벽고를 정하는 단계; 및
    상기 최고 기압장벽고로부터 자연환기력(NVF)을 추정하는 단계;를 포함하는 터널 내 자연환기력의 측정방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 누적 투영면적은 풍압에 영향을 미치는 장애벽면의 총면적으로서 특정 위치의 터널 횡단면에 있어서 터널 입구로부터 주변지형을 모두 투영한 면적인 것을 특징으로 하는 터널 내 자연환기력의 측정방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 투영거리별 기압장벽고는 상기 누적 투영면적에서 터널의 표고(標高)를 제외한 가상의 높이인 것을 특징으로 하는 자연환기력의 측정방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 투영거리별 기압장벽고는 투영거리의 증가에 따라 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 자연환기력의 측정방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 최고 기압장벽고 1m 당 자연환기력의 증가율(Pa/m)은 0.35 내지 0.42Pa/m인 것을 특징으로 하는 자연환기력의 측정방법.
  6. 터널 입구로부터 투영거리의 증가에 따라 터널 주변 지형의 누적 투영면적을 나타내는 투영거리별 기압장벽고를 산출하는 단계;
    상기 산출된 투영거리별 기압장벽고의 변화에 있어 특정값으로 수렴되는 기압장벽고를 정하여 최고 기압장벽고를 정하는 단계; 및
    상기 최고 기압장벽고(H)로부터 다음의 수학식 1을 통하여 최대 자연환기력(NVF)을 계산하는 단계;를 포함하는 터널 내 자연환기력의 측정방법:
    [수학식 1]
    Pa max = 0.4 * H
    Pa max : 자연환기력의 최대값 (Pa)
    H: 최고 기압장벽고 (m)
  7. 제6항에 있어서, 상기 누적 투영면적은 풍압에 영향을 미치는 장애벽면의 총면적으로서 특정 위치의 터널 횡단면에 있어서 터널 입구로부터 주변지형을 모두 투영한 면적인 것을 특징으로 하는 터널 내 자연환기력의 측정방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 투영거리별 기압장벽고는 상기 누적 투영면적에서 터 널의 표준표고를 제외한 가상의 높이인 것을 특징으로 하는 자연환기력의 측정방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 투영거리별 기압장벽고는 투영거리의 증가에 따라 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 자연환기력의 측정방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 자연환기력의 측정방법으로 산출된 자연환기력을 이용하여 설치되는 터널 내 환기시스템.
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