최근 신설철도가 계획되거나 선형개량공사가 증가함에 따라 터널 구조물이 장대화되고 있다. 장대터널에서 터널내 열차화재 등이 발생하는 경우 대형사고를 초래할 수 있으므로 터널 방재에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이에 따른 터널 방재기준도 더욱 강화되고 있는 실정이다. 따라서 터널계획시 방재기준을 만족하면서 위험도를 최소화할 수 있는 최적 방재시설물 계획이 요구되고 있다. 이와 같이 합리적인 장대터널 방재 설계를 위해서는 열차사고 통계분석 및 피난시뮬레이션을 기초로 한 보다 객관적이며, 정량적인 평가가 필요하다 할 수 있으며, 이를 위해서 본 연구에서는 정량적 위험도 분석기법인 QRA (Quantitative Risk Assessment)를 철도터널에서의 방재설계에 적용하고자 하였다. 대상터널은 연장 약 4.1 km의 산악터널(사례 I)과 연장 약 3.6 km인 도시지역터널(사례 II)로서 두 터널 모두 철도터널 관련 방재기준보다 향상된 터널방재성능이 요구되어, 도시지역 안전기준에 만족하는 합리적인 터널내 방재구조물 계획을 수립하기 위하여 정량적 위험도분석을 실시하였다. 장대터널에서의 갱외탈출로 개념의 사갱 및 수직구 계획을 수립하기 위하여 각각의 경우에 대한 QRA를 실시하고, 장대터널의 방재 안정성을 평가함으로써 실행 가능한 합리적인 수준의 터널 방재설계를 수행하고자 하였다.
최근 신설철도가 계획되거나 선형개량공사가 증가함에 따라 터널 구조물이 장대화되고 있다. 장대터널에서 터널내 열차화재 등이 발생하는 경우 대형사고를 초래할 수 있으므로 터널 방재에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이에 따른 터널 방재기준도 더욱 강화되고 있는 실정이다. 따라서 터널계획시 방재기준을 만족하면서 위험도를 최소화할 수 있는 최적 방재시설물 계획이 요구되고 있다. 이와 같이 합리적인 장대터널 방재 설계를 위해서는 열차사고 통계분석 및 피난시뮬레이션을 기초로 한 보다 객관적이며, 정량적인 평가가 필요하다 할 수 있으며, 이를 위해서 본 연구에서는 정량적 위험도 분석기법인 QRA (Quantitative Risk Assessment)를 철도터널에서의 방재설계에 적용하고자 하였다. 대상터널은 연장 약 4.1 km의 산악터널(사례 I)과 연장 약 3.6 km인 도시지역터널(사례 II)로서 두 터널 모두 철도터널 관련 방재기준보다 향상된 터널방재성능이 요구되어, 도시지역 안전기준에 만족하는 합리적인 터널내 방재구조물 계획을 수립하기 위하여 정량적 위험도분석을 실시하였다. 장대터널에서의 갱외탈출로 개념의 사갱 및 수직구 계획을 수립하기 위하여 각각의 경우에 대한 QRA를 실시하고, 장대터널의 방재 안정성을 평가함으로써 실행 가능한 합리적인 수준의 터널 방재설계를 수행하고자 하였다.
Recently, as the construction of new railway and the relocation of existing line increase, tunnel structures grow longer. The railway fire accidents in long tunnel bring large damages of human life and disaster. The interest of safety in long tunnel have a growing and the safety standard of long tun...
Recently, as the construction of new railway and the relocation of existing line increase, tunnel structures grow longer. The railway fire accidents in long tunnel bring large damages of human life and disaster. The interest of safety in long tunnel have a growing and the safety standard of long tunnel is tightening. For that reason, at the planning of long tunnel, the optimum design of safety facility in long tunnel for minimizing the risks and satisfying the safety standard is needed. For the reasonable design of long railway tunnel considering high safety, qualitative estimation for tunnel safety is required. In this study, QRA (Quantitative Risk Assessment) technique is applied to design of long railway tunnel for assuring the safety function and estimating the risk of safety. The case study for safety design in long railway tunnel is tarried out to verifying the QRA technique for two railway tunnels. Thus, the inclined and vertical shaft for escape way and safety facilities in long tunnel are planned, and the risks of tunnel safety for each case are estimated quantitatively.
Recently, as the construction of new railway and the relocation of existing line increase, tunnel structures grow longer. The railway fire accidents in long tunnel bring large damages of human life and disaster. The interest of safety in long tunnel have a growing and the safety standard of long tunnel is tightening. For that reason, at the planning of long tunnel, the optimum design of safety facility in long tunnel for minimizing the risks and satisfying the safety standard is needed. For the reasonable design of long railway tunnel considering high safety, qualitative estimation for tunnel safety is required. In this study, QRA (Quantitative Risk Assessment) technique is applied to design of long railway tunnel for assuring the safety function and estimating the risk of safety. The case study for safety design in long railway tunnel is tarried out to verifying the QRA technique for two railway tunnels. Thus, the inclined and vertical shaft for escape way and safety facilities in long tunnel are planned, and the risks of tunnel safety for each case are estimated quantitatively.
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문제 정의
따라서 터널완공 시기에 관계없이 구조물계획보다 상대적으로 적은 비용으로 설치가 가능한 터널 안전시설에 대하여 살펴보았다. 자기구난(self rescue) 에바탕을 둔 피난 대피가 이루어 질 수 있는 터널을 설계하기 위하여 기본적인 way finding 설비(피난 유도등, 비상조명등, 유도표지판 등등)는 이미 QRA의 기본설정 사항으로 적용되었다.
본 검토에서는 갱외탈출로 접속 부에 차단구역이 설치되어 있는 것으로 계획하였으며, 이는 갱외탈출로에 연기 침투를 억제하여 사갱 전 구간이 안전한 구역으로 확보하기 위한 시설이다(표 4). 차단구역은 2중 방화문과 연기침투 방지를 위하여 가압송풍기(차압팬)설비로 구성된 안전지역이다.
제안 방법
갱외 탈출로 개소 수에 따라 3가지 경우에 대하여 분석을 실시하였으며 결과는 다음과 같다.
두 번째 대책은 2구간의 대피 거리를 줄일 수 있도록 접속 부를 종점측으로 약 305 m 이격한 사갱을 설치하는 방안을 고려하였다. 사갱은 수직 구에 비하여 대피 인원의 탈 줄이 용이하고, 비상 차량 및 중소형 소방차 진입이 가능하여 화재상황에 신속하게 대응할 수 있는 장점이 있다.
이는 정량적인 수치로 약 30%의 위험 감소 효과를 볼 수 있지만 안전한 터널로써의 기능을 수행할 수 없음을 나타낸다. 따라서 공사용 사갱 외에 별도의 비상 차량 통행이 가능한 대피용 사갱 1개소를 추가적으로 설치하는 방안을 수립하여 이에 대한위험도 분석을 수행하였다.
이러한 터널 내 설비시설 이외에 '위험'을 저감시킬 수 있은 요소는 차량의 방재성능, 방재시나리오에 따른 훈련 정도, 구난 및 대피를 위한 응급기재 등이 있으며, 기재 물 중에서 비상마스크는 대피 자의 생존시간을 증가시키는 기능을 하므로 비교적 쉽게 QRA에 적용 가능하다. 따라서 터널내 비상 마스크를 설치한 경우에 대하여 위험분석을 실시하였으며, 그 결과는 그림 13과 같다.
방재안전성능 향상을 위한 추가 대책이 필요하였고, 피난대피거리가 약 2.0 km에 이르는 2구간의 대피 거리를 줄일 수 있는 2가지 방안이 검토되었다.
본 연구에서는 터널의 방재 설계에 정량적 위험도 분석기법을 도입하였으며, 경제성 및 사회적 요구수준을 고려하여 실행 가능한 합리적인 수준으로 터널방재 안전계획을 수행하였다. 터널의 평면 선형, 종단경사, 주변 지형을 이용하여 실현 가능한 갱외 탈출로(사갱, 수직구) 계획을 수립하고 각각의 경우에 대한 QRA를 수행한 결과는 다음과 같다.
사례 I 터널의 경우 공기 내 터널 굴착을 완료하기 위하여 반드시 공사용 작업구(사갱)가 1개소 이상 설치되어야 하는 상황이며, 터널 연장 약 2/3 부근의 저토피 구간에 공사용 작업 차량의 교행이 가능한 공사용 사갱을 계획하였다. 이는 공사 중에는 굴착 및 버력반출로로이용되지만, 공용 후 갱외탈출로로 이용이 가능한 터널 내 안전구조물이다.
필요성이 대두되었다. 이에 따라 터널 방재안전 설계는 터널굴착을 위한 작업구계획 및 환기구설계를 고려하여 수직구(갱외탈출로)를 계획하는 것으로 설계하였다. 사례 I과 달리 인접 공구에 설치 계획된 환기 용수 직구는 분석대상에 포함하였으며 이는 자연 환기 방식에 의한 환기 설계를 위하여 인접 공구의 환기 수직 구가 필수적이기 때문이다.
수행하였다. 터널의 평면 선형, 종단경사, 주변 지형을 이용하여 실현 가능한 갱외 탈출로(사갱, 수직구) 계획을 수립하고 각각의 경우에 대한 QRA를 수행한 결과는 다음과 같다.
성능/효과
1) 장대 터널에서의 방재 특성을 고려할 수 있는 정량적 위험도 분석기법인 QRA를 적용한 결과, 방재계획에 따른 터널 내 위험도를 정량적으로 평가할 수 있었으며, 이는 장대 터널의 방재계획 수립시 매우 유용하게 활용될 수 있음을 확인하였다.
2) 장대 터널 내 화재 발생 시 가장 큰 위험요소는 피난 대피 거리와 종단경사 변화 점으로 분석되었으며, 터널 내 구간별 위험도 분석 결과를 고려하여 갱외탈출구의 위치선정 및 추가적인 방재설비설치 여부 등을 종합적으로 판단하여야 한다.
2구간은 연장이 상대적으로 가장 길어 다른 구간에 비해 위험도가 높지만 비상용마스크를 설치함으로써 0LARP, 범위내에 FN-curve가 형성되며 전구간에 대한 위험도가 'ALARP' 범위에 만족하게 나타났다. 터널 내 화재발생시 위험도는 피난 인원, 종단경사, 안전시설, 피난거리 등의 다양한 요소들에 의해 분석되어지며 특히 피난 거리가 많은 비중을 차지하는 것으로 분석되었다.
QRA결과, 사례 II 터널의 방재안전 구조물계획으로 , ALARF기준을 만족하는 것은 막대한 추가 소요 비용이 필요하고, 이는 현실적으로 적용이 불가능한 것으로 판단되었다. 따라서 터널완공 시기에 관계없이 구조물계획보다 상대적으로 적은 비용으로 설치가 가능한 터널 안전시설에 대하여 살펴보았다.
이는 터널 내 화재 사고 시 피난거리가 과도하게 길어 위험이 크게 나타났으며 대량의 사상자를 발생시킬 확률이 크므로 추가적인 안전조치가 필요하다. 갱외탈출로를 1개소 설치할 경敛case H) 1구간의 경우 위험도가 仏LARF의 범위에 드는 것으로 나타났으나, 2구간의 위험도가 상대적으로 높게 형성되어 전체적인 위험도가 수용할 수 있는 범위를 벗어나는 것으로 나타났다. 과업구간의 위험도를 감소시키기 위하여 인접 공구에 갱외탈출로를 설치를 필요성이 있으며, 이는 방재성능 뿐만 아니라 환기 성능확보를 위하여 필수적인 사항으로 판단되었다.
사례분석 I에 대한 위험도 분석 결과, 대피사갱의 개수에 따라 위험도 변화가 뚜렷하게 나타나며 갱외탈출로(사갱)수가 많을수록 피난 거리의 감소로 인하여 위험도 수치의 정량적 감소 효과가 크게 나타나는 것으로 분석되었다. 즉, 터널 내 화재 발생 시 가장 큰 위험요소는 피난 대피 거리이며, 종단경사 조건에 따라 화재연기 전파에 많은 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
여기서 1구간과 상대적으로 구간연장이 짧은 2 구간의 위험도는 ALARP 기준에 만족하며, 3구간에서는 부분적으로 ALARP기준에 접하는 분석결과를 나타내어 상대적으로 위험도가 높은 것을 알 수 있다. 또한 전 구간에 대한 평가에서 ALARP구역 이내의 분포를 나타내므로 갱외탈출로 2개소를 설치할 경우 ALARP 기준에 만족하는 적정 수준의 안전성능을 발휘할 수 있을 것으로 판단된다.
터널 내 화재발생시 위험도는 피난 인원, 종단경사, 안전시설, 피난거리 등의 다양한 요소들에 의해 분석되어지며 특히 피난 거리가 많은 비중을 차지하는 것으로 분석되었다.
후속연구
여기서 1구간과 상대적으로 구간연장이 짧은 2 구간의 위험도는 ALARP 기준에 만족하며, 3구간에서는 부분적으로 ALARP기준에 접하는 분석결과를 나타내어 상대적으로 위험도가 높은 것을 알 수 있다. 또한 전 구간에 대한 평가에서 ALARP구역 이내의 분포를 나타내므로 갱외탈출로 2개소를 설치할 경우 ALARP 기준에 만족하는 적정 수준의 안전성능을 발휘할 수 있을 것으로 판단된다.
3.2 철도 터널의 방재 안정성 평가사례Ⅱ
사례분석Ⅱ의 경우 전동차와 기괸차의 병행 통과구간으로써 터널 굴착 공기뿐만 아니라 기관차 운행시 터널 내 오염물질 제거(희석)를 위한 적정 소요환기량을 확보할 필요성이 대두되었다. 이에 따라 터널 방재안전 설계는 터널굴착을 위한 작업구계획 및 환기구설계를 고려하여 수직구(갱외탈출로)를 계획하는 것으로 설계하였다.
김원국, 2003, '터널방재설계 최적화에 관한 연구', 대한토목학회, 터널시공기술향상 대토론회 논문집
S.N.Jonkman, P.H.A.J.M. van Gelder, J.K. Vrijling, 2003, 'Flood Risk Calculated with Different Risk Measures', European Safety and Reliability Conference
ISO/TS 13571, 2002, 'Life-threatening components of fire Guidelines for the estimation of time available for escape using fire data'
Hakan Frantzich, 1998, 'Uncertainty and Risk Analysis in Fire Safety Engineering', Lund University
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