도로터널의 장대화에 따라 터널 내 차량의 체류시간이 증가하고, 이에 따라 화재 등의 긴급상황 발생 시 외부 소방대의 투입시간 및 터널 내부 이용객의 피난시간 증가에 따른 인적 · 물적 피해가 증가할 수 있다.

“도로설계편람 제6편 터널”과 “도로터널 방재시설 설치 및 관리지침”에서는 도로터널 내 화재발생 시 피해를 최소화하기 위하여 터널 설계 시 제연설비를 설계하도록 하고 있다.

제연설비 설계 인자에는 터널에 작용하는 외부 자연풍의 풍속이 있으며, 최소 2.5 m/s로 규정하고, 터널의 특성에 따라 증가시키도록 하고 있다. 그러나 실무설계에서는 터널의 특성을 반영하지 않고, 자연풍의 풍속을 2.5 m/s로 일률적인 적용을 하고 있다.

국내에서 주로 사용하는 터널 제연방식은 종류식 방식이며, 외부의 신선 공기를 터널 입·출구를 통해 내부로 유도하는 방식이다. 터널 내 화재가 발생했을 때, 터널 외부에 돌풍이 불으면 돌풍은 저항으로 작용하며, 제연설비의 성능이 감소할 수 있다.

따라서, 본 연구에서는 국내 도로터널 제연설비 설계 방법에 따라 설계된 터널에서 화재가 발생하고, 돌풍이 작용했을 때 제연설비의 성능과 피난안전성에 대하여 분석했다.

돌풍이 도로터널의 제연성능에 미치는 영향을 분석하기 위하여 선행연구의 돌풍 패턴과 국내 기상자료를 분석하여 강원지역에서 이상기후로 발생할 수 있는 돌풍의 크기를 정의하였고, 국내 터널설계기준에 따라 설계된 터널에서 외부 돌풍에 따른 터널 내 제연시스템의 성능을 3차원 수치해석방법을 이용하여 분석하였으며, 정량적위험도기법을 적용하여 돌풍의 크기와 패턴에 따른 사망자 수 분석을 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 본 연구에서는 돌풍을 정의하기 위해 Zdravko Petkov?ek와 Ale? Suban 등이 제시한 Bora 돌풍 패턴을 도입했으며, 국내 기후환경에 적용하기 위해 기상청 자동기상관측자료와 기압장벽고 방법을 사용하여 대관령 지역의 돌풍 패턴을 제시했다.

2. 최근 6년간 대관령 지역의 5분 평균풍속 데이터를 분석한 결과 5분 평균풍속이 10 m/s 이상 발생한 일 수는 15.8%에 해당하는 것으로 분석했으며, 15 m/s 이상의 풍속이 발생한 일수는 1%로 분석했다. 풍속 10 m/s 이상 바람의 풍향은 84%가 서풍으로 태백산맥을 동서로 관통하는 도로터널 설계 시 2.5 m/s 이상의 돌풍 적용이 필요하다.

3. 수치해석을 통한 제연성능 분석 결과 10 m/s 이상의 돌풍이 5분 이상 지속적으로 터널에 유입되는 경우, 외부 돌풍의 압력이 현업에서 적용 중인 설계방법에 따른 제트팬 승압력보다 더 크게 작용하여 제연설비가 무력화된다.

4. 터널에 작용하는 돌풍이 Bora 돌풍 패턴으로 최대풍속이 10 m/s 이하인 경우 현업에서 적용 중인 설계방법은 화재연기의 역류가 발생하지 않고 성능이 유지되는 것으로 분석했다. 그러나 최대풍속이 15 m/s 이상인 경우 화재연기의 역류가 발생하여 적합하지 않은 것으로 분석했다. 특히 돌풍의 최대풍속이 20 m/s인 경우 제연용 제트팬의 승압력 보다 돌풍의 압력이 더 크게 작용하여 터널에 설치된 제연설비는 무력화 된다.

5. 터널에 작용하는 돌풍의 평균풍속이 같더라도 화재초기에 돌풍의 순간 최대풍속이 20 m/s 이상 작용하면 그렇지 않은 경우보다 화재연기의 역류거리가 더 길게 역류하고 터널 내 풍속 또한 더 작아지는 것으로 분석했다. 따라서, 터널 외부의 풍속 측정 시 풍속데이터를 순간풍속 데이터와 시간평균 데이터를 같이 분석하여, 돌풍에 대한 대응이 필요하다.

6. 정량적 위험도 분석을 통한 사망자 수 분석을 한 결과 20 MW 화재에서는 10 m/s와 15 m/s의 돌풍은 사망자를 발생시키지 않는 것으로 분석했다. 이러한 이유는 피난객의 피난속도가 돌풍에 의해 발생하는 화재연기의 역류속도가 더 빠르기 때문이다. 그러나 화재초기에 20 m/s 이상의 돌풍이 분다면, 앞서 설명한 바와 같이 화재연기가 예상보다 더 빠르게 역류할 수 있으므로, 터널 관리자는 화재 초기 돌풍에 대한 대응이 필요하다.

As the tendency to elongate road tunnel prevails, it takes vehicles longer to get out of the tunnel, complicating effort to immediately mobilize fire fighting squad and promptly evacuate tunnel users in the event of emergency such as fire outbreak. This otherwise would lead to growing numbers of human casualties and damage done to possessions.

Road Design Manual''s chapter 6 "Tunnel" and Guidelines for Installing and Managing Disaster Prevention Facilities of Road Tunnels stress the need to include smoke control system into road tunnel in order to minimize damage to be done in the event of fire outbreak in the road tunnel.

The elements making up smoke control system include wind speed of natural wind being swirled from outside world, whose minimum number is defined to be 2.5 m/s and is designed to grow according to characteristics of the tunnel. However, practical design does not consider characteristics of the tunnel and instead uniformly apply natural wind speed of 2.5 m/s.
Domestically longitudinal method prevails over smoke control system of the tunnel, which is designed to induce fresh air to get into the tunnel through inlets and outlets of the tunnel. If gust comes in the event of fire outbreak inside the tunnel, the wind of gust will serve to resist and debilitate performance of smoke control system.

Given this, the study focuses on performance of smoke control system and evacuation safety that would be revealed in the event that fire breaks out with gust being swirled to the tunnel designed in accordance with the domestic design method for road tunnel smoke control system.

To analyze impact of the gust on the performance of smoke control system of the road tunnel, the study looked into gust patterns revealed by preceding researches and domestic meteorological data to define dimension of the gust that might visit Gangwon Province in extreme weather event, to analyze performance of smoke control system, in the face of gust, inside the tunnel designed according to domestic tunnel design criteria by using 3-dimensional numerical solution method and to draw conclusion described as follows by analyzing death toll based on dimension and pattern of the gust by employing quantitative risk assessment method.

1. To define the gust, the study introduced Bora gust pattern suggested by Zdravko Petkov?ek and Ale? Suban and, in an effort to apply them to domestic weather events, utilized both data of automatic weather station from Korea Meteorological Administration ("KMA") and barometric barrier to suggest gust pattern emerging in Daekwanlyeong area.

2. The result of analyzing 5-minute average wind speed data of Daekwanlyeong reported for the past 6 years shows that the portion of days when 5-minute average wind speed was reported to be above 10 m/s is 15.8% and that the portion of days when the average 5-minute wind speed stood at more than 15 m/s is 1%. The portion of wind whose speed stands at more than 10 m/s with its direction being westwards is 84%. Considering this, it is necessary to apply gust of more than 2.5 m/s in designing road tunnel horizontally penetrating through the Taebaek Mountains.
3. The result of analyzing performance of smoke control system by using numerical solution method shows that if the gust of more than 10 m/s is continuously being turned inwards for more than 5 minutes, this could lead to debilitating smoke control system of the tunnel by exerting more pressure than ascending pressure of jet fan applicable to design method at work.
4. If maximum wind speed stand below 10 m/s with the gust swirling in the tunnel taking on Bora gust pattern, it has been revealed that design method at work sustains performance of the wmoke control system by inhibiting smoke backlayering. However if the maximum wind speed stands at more than 15 m/s, it has been revealed that it triggers smoke backlayering, suggesting that the design method is not proper. Particularly if the maximum wind speed stands at 20 m/s, this would induce gust pressure to exert more power than ascending pressure of jet fan, debilitating smoke control system of the tunnel.

5. If average wind speed of the gust swirling in the tunnel is equal to average wind speed, it has been revealed that if momentary maximum wind speed of the gust stands at more than 20 m/s at initial stage of fire, the fire smoke would be backlayered for longer distance than situation developing otherwise and the wind speed in the tunnel would decrease. Thus, by analyzing both momentary wind speed data and hourly average data for measurement of wind speed outside the tunnel, it is necessary to develop coping measure against occurrence of the gust.

6. The result of analyzing casualties by looking into quantitative risk assessment method shows that the gust of 10 m/s and 15 m/s in the event of 20 MW fire does not lead to causing mortality. Probably that is because evacuation may be carried out faster than the speed of backlayering of gust-induced fire smoke. If the gust of 20 m/s blows in the initial stage of fire, this would lead to faster backlayering than expected. Considering this, tunnel manager should be ready to cope with gust blowing at initial stage of fire.
Consequently, the study analyzing performance of smoke control system and mortalities based on dimension of the gust and fire intensity hopefully will be able to contribute to reducing materialistic damage and human fatalities by adjusting dimension of natural wind to characteristics of the tunnel rather than uniformly applying dimension of natural wind.