초장대 해저터널의 공사중 덕트 접속부의 누풍 성능 개선에 관한 연구 A study on the air leakage performance improvement of duct coupling for temporary ventilation of long subsea tunnel원문보기
초장대 해저터널의 건설은 건설공간의 제약 및 건설비용 측면에서, 공사중에 사용되는 환기 시스템 설치에 유리한 조건을 갖고 있지 않다. 공사중 환기시스템을 제공하기 위해, 환기갱이 설치되는 인공섬들이 해저터널의 루트를 따라서 일부위치마다 건설됨으로써, 건설 비용이 많이 소요된다. 따라서 이러한 인공섬의 수를 최소화하는 것이 경제적으로 필요하다. 그러나 이것은 환기갱 사이의 거리가 더 길어지게 되므로, 필요한 환기풍량을 이송하기 위한 높은 팬 압력으로 인해 환기 덕트 접속부에서 누풍이 더 많이 발생하게 된다. 선행 연구에서 공기 누설이 중요한 문제임을 조명하였다. 본 연구는 개선된 덕트 접속 방식을 개발하기 위한 실험들을 소개하고, 또한 SIA 의 "S" 등급 누풍율 및 다양한 조건들을 비교하여 터널 연장에 따른 달성된 누풍율의 환기 성능을 제시한다. 본 연구의 결과로 누풍율이 $1.46mm^2/m^2$인 새로운 접속방식을 개발하였으며, 개선된 방식이 30 km규모의 장대터널에 적합한 것으로 분석되었다.
초장대 해저터널의 건설은 건설공간의 제약 및 건설비용 측면에서, 공사중에 사용되는 환기 시스템 설치에 유리한 조건을 갖고 있지 않다. 공사중 환기시스템을 제공하기 위해, 환기갱이 설치되는 인공섬들이 해저터널의 루트를 따라서 일부위치마다 건설됨으로써, 건설 비용이 많이 소요된다. 따라서 이러한 인공섬의 수를 최소화하는 것이 경제적으로 필요하다. 그러나 이것은 환기갱 사이의 거리가 더 길어지게 되므로, 필요한 환기풍량을 이송하기 위한 높은 팬 압력으로 인해 환기 덕트 접속부에서 누풍이 더 많이 발생하게 된다. 선행 연구에서 공기 누설이 중요한 문제임을 조명하였다. 본 연구는 개선된 덕트 접속 방식을 개발하기 위한 실험들을 소개하고, 또한 SIA 의 "S" 등급 누풍율 및 다양한 조건들을 비교하여 터널 연장에 따른 달성된 누풍율의 환기 성능을 제시한다. 본 연구의 결과로 누풍율이 $1.46mm^2/m^2$인 새로운 접속방식을 개발하였으며, 개선된 방식이 30 km규모의 장대터널에 적합한 것으로 분석되었다.
The construction of long sub-sea tunnel does not provide the favorable condition for the installation of ventilation system to be used during construction due to the constrained construction space. For the ventilation system required during construction, the artificial island where ventilation shaft...
The construction of long sub-sea tunnel does not provide the favorable condition for the installation of ventilation system to be used during construction due to the constrained construction space. For the ventilation system required during construction, the artificial island where ventilation shaft is located is constructed at some location along the sub-sea tunnel route, which requires a high construction cost. Therefore, it is intended, as much as possible technically, to minimize the construction of artificial island. However, this requires a longer distance between ventilation shafts, there-by causing increased air leakage at the ventilation duct connection points due to the higher fan pressure being required to deliver ventilation air. Previously the air leakage was studied as an important issue. In this study experiments were carried out to develop the improved duct connection method considering various conditions such as, tunnel length, etc. Additionally, its performance results with leakage rates are shown and compared to the "S" class leakage rate of SIA. As a result, the new duct coupling type of improved method is analyzed as applicable to such a 30 km long tunnel with the leakage rate of $1.46mm^2/m^2$, which is better performance than SIA leakage rates.
The construction of long sub-sea tunnel does not provide the favorable condition for the installation of ventilation system to be used during construction due to the constrained construction space. For the ventilation system required during construction, the artificial island where ventilation shaft is located is constructed at some location along the sub-sea tunnel route, which requires a high construction cost. Therefore, it is intended, as much as possible technically, to minimize the construction of artificial island. However, this requires a longer distance between ventilation shafts, there-by causing increased air leakage at the ventilation duct connection points due to the higher fan pressure being required to deliver ventilation air. Previously the air leakage was studied as an important issue. In this study experiments were carried out to develop the improved duct connection method considering various conditions such as, tunnel length, etc. Additionally, its performance results with leakage rates are shown and compared to the "S" class leakage rate of SIA. As a result, the new duct coupling type of improved method is analyzed as applicable to such a 30 km long tunnel with the leakage rate of $1.46mm^2/m^2$, which is better performance than SIA leakage rates.
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문제 정의
반대로, 온도가 일정한 상태에서 국부적인 압력변화가 발생할 경우에는 어떠한 영향이 있는지를 분석해 보았다. 여름철을 대상으로 설명한다면, 터널 공사 현장의 주변 온도는 높으나 주변 압력이 고기압일 수도 저기압 일수도 또는 일반 대기압 상태가 될 수도 있기 때문에 그 영향을 분석해 볼 필요가 있다.
본 논문에서는 초장대 해저터널을 건설할 경우, 인공섬 최소화를 고려하여 터널내 필요한 신선공기를 환기거리 15 km까지 공급할 수 있도록 누풍이 최소화된 새로운 접속방식 개발에 관한 일련의 실험들을 소개하고, 달성된 누풍량 및 다양한 누풍 조건과 터널 외부 조건을 바탕으로 SIA 196 코드의 환기용량 산정법을 사용하여 민감도 분석을 수행하였다.
그 이유는 덕트 커플링 자체의 누풍성능 뿐만 아니라 덕트 시공 상의 이유로 접속부에서의 누풍량이 달라지기 때문인 것으로 판단된다. 본 연구에서는 덕트 말단의 누풍 최소화 접속 방식을 개발함에 있어 기밀을 유지 하기 위해 너무 고비용의 부품 및 요소기술이 사용되는 것을 방지하고, 특히 현장에서 보다 수월하게 작업을 수행할 수 있도록 하여 시공 난이도를 줄임으로써 시공 오차에 의한 누풍발생을 최소화하는 컨셉의 접속방식을 개발 하는 것에 중점을 두었다.
본 연구에서는 초장대 해저터널의 인공섬 최소화 실현의 핵심 인자인 누풍을 최소화하는 접속방식 개발을 위해 일련의 실험과정 및 최종 확보한 누풍성능을 통한 막장 도달 효율을 분석하였다. 이러한 일련의 실험 및 코드 기반 분석을 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
또한 실험을 통한 덕트 접속부의 성능 개선을 위해 피토 튜브를 통한 수동 계측에서 십자형 피토 튜브를 통한 자동 계측 방식으로 변경하 였다. 이러한 변경 사유는 누풍 최소화 성능이 목표치에 근접할수록 수동 측정시의 오차가 미치는 영향을 최소화 하기 위한 것이다. 아래에는 본 연구에서 수행한 실험을 순차적으로 설명하고, 최종 개발 방식 및 누풍성능 실험 결과를 상세히 설명하였다.
초장대 해저터널 건설시 인공섬을 최소화하는 것은 시공성 및 경제성 측면에서 상당히 중요하다. 이를 위해 덕트 접속부에서 발생하는 누풍 수준을 더욱 개선하게 된다면 환기 목표 거리인 15 km를 충분히 달성할 수 있으므로, 해당 성능의 누풍 수준을 확보할 수 있는 덕트 접속방식을 개발하는 것이 본 연구의 핵심 목표이다.
제안 방법
1차적으로 가장 기본적인 접속 방식인 “링엇대기 + 벨트” 방식(Type 1)에 대한 분석을 수행하였다.
누풍 최소화 접속방식을 개발하기 위해 우리는 접속부의 누풍 특성에 대하여 실험적으로 조사 분석을 수행하 였다. 본 실험에서 사용한 방법론은 조형제 등(2015)이 사용한 실험절차와 동일하다.
다음은 터널 굴착시 주변 외기가 일반 대기압 조건일 때, 계절 또는 지역별 압력변화가 발생한 경우에도 막장에 충분한 환기량을 공급할 수 있는 환기기의 성능을 확보할 수 있는 지 여부를 분석하였다. 분석에 적용한 온도 범위는 -30~30°C, 누풍율은 1.
SIA 196 코드(1998)에서는 온도와 압력의 적용에 대해서 송풍기의 모터 출력을 현장의 공기 밀도에 따라 설계 하도록 하고 있고 이러한 공사현장의 해발고도에 따른 최대 대기압 및 평균 최소 공기온도는 다음 Table 4와 같이제시하고 있다. 따라서 SIA 196 코드(1998)에서 제시하고 있는 최대압력 및 최소온도 조건을 적용할 경우, 터널 시공 현장의 고도 변화시의 환기기 용량 변동 범위 및 그 적합성에 대해 분석하였다.
다른 점이 있다면, 기존방식이 양쪽 링을 서로 맞댄 방식인 반면, 본 실험에서는 링을 서로 엇댄 방식을 사용한 점이다. 또한 실험을 통한 덕트 접속부의 성능 개선을 위해 피토 튜브를 통한 수동 계측에서 십자형 피토 튜브를 통한 자동 계측 방식으로 변경하 였다. 이러한 변경 사유는 누풍 최소화 성능이 목표치에 근접할수록 수동 측정시의 오차가 미치는 영향을 최소화 하기 위한 것이다.
또한 이전 실험에서 사용된 수동 계측방식의 피토튜브 측정위치에 따른 오차문제를 해결하기 위해 피토튜브를 자동계측 센서로 변경하여 누풍측정의 신뢰도를 개선하였다. 이러한 일련의 실험분석과 현장 설치경험 및 시운 전을 통해 접속부 조임장치의 개선 방향 및 접속부 외부 덮개의 필요성 등에 대한 아이디어를 도출하여 개선된 조임벨트 시작품을 제작하였고, 실험 측정의 안정화를 위해 덕트 지지대의 설치 높이를 일정하게 하고 지지대의 설치수량 또한 증가시켜 덕트 내 유속 계측시의 영향을 가능한 낮추도록 하였다.
상기의 두 식 (1)과 (2)를 이용하면 무차원 송풍비(ω)와 압력비(п 0 )를 계산할 수 있으며, 이를 통해 팬풍량 및팬정압을 산정할 수 있다. 또한, 이 분석에는 현재 초장대 해저터널을 위해 4 kPa급의 팬을 개발하고 있는 점을 고려하여 이것을 팬의 개발 한계로 적용하였다. 위에서 언급한 입력값을 사용하여 계산한 결과는 다음 Fig.
상기에 분석된 누풍율 측정값에 대해서 누풍율에 따른 성능 차이 및 주변 환경 조건 변화시의 누풍에 따른 환기 성능 변화를 종합적으로 분석하여 15 km 환기거리 달성에 미치는 영향을 매개변수적으로 분석하였다. 이 분석을 위해 사용된 매개변수는 터널 연장(1~20 km), 누풍율(1.
이 실험을 통해 접속부를 감싸는 부분에 대한 중요성을 재차 확인하는 계기가 되었고, 이를 위한 다양한 아이디어 도출 회의를 통해 체결 벨트의 개선안을 도출하였다. 이 개선안은 1개 접속부 세트를 시작품으로 제작하여 덕트가 설치되어 있는 현장에서 이 시작품의 설치 및 팬 가동시의 접속부의 누풍상태 변화 등 현장설치 적용성을 평가하였다. 접속부를 개선하기 위하여 공사현장의 환경변화에 대한 내후성 및 내열성 등이 우수한 재질인 실리콘재질로 제작하였고, 양쪽 말단 링이 엇대진 부분을 고리 형태의 트랩으로 감싸고 그 양쪽 트랩 고리에 철심을 끼워 넣어 고정시키는 타입으로 제작하였다.
이 분석을 위해 사용된 매개변수는 터널 연장(1~20 km), 누풍율(1.46~5 mm 2 /m 2 ) 주변 온도(-30~30°C), 주변 압력 (950~1,050 hPa) 및 고도에 따른 온도 및 압력변화(SIA 코드의 제시값)이며, 이에 대한 다양한 분석을 통해 새롭 게 개발된 접속방식이 어떠한 환경조건에서도 터널 막장에 필요한 풍량을 충분히 공급할 수 있는지 여부를 분석 하였다.
이 실험을 통해 접속부를 감싸는 부분에 대한 중요성을 재차 확인하는 계기가 되었고, 이를 위한 다양한 아이디어 도출 회의를 통해 체결 벨트의 개선안을 도출하였다. 이 개선안은 1개 접속부 세트를 시작품으로 제작하여 덕트가 설치되어 있는 현장에서 이 시작품의 설치 및 팬 가동시의 접속부의 누풍상태 변화 등 현장설치 적용성을 평가하였다.
또한 이전 실험에서 사용된 수동 계측방식의 피토튜브 측정위치에 따른 오차문제를 해결하기 위해 피토튜브를 자동계측 센서로 변경하여 누풍측정의 신뢰도를 개선하였다. 이러한 일련의 실험분석과 현장 설치경험 및 시운 전을 통해 접속부 조임장치의 개선 방향 및 접속부 외부 덮개의 필요성 등에 대한 아이디어를 도출하여 개선된 조임벨트 시작품을 제작하였고, 실험 측정의 안정화를 위해 덕트 지지대의 설치 높이를 일정하게 하고 지지대의 설치수량 또한 증가시켜 덕트 내 유속 계측시의 영향을 가능한 낮추도록 하였다.
5의 좌측 그림에서 볼 수 있듯이, 이 실험이 수행된 현장여건상 2차 측정 포인트 이후의 말단부 길이가 짧아 주변 외기의 영향(풍속, 기압 등)을 많이 받게 되고 말단의 풍량 제어 댐퍼가 실험 중에 팬 풍압 및 진동에 의해 떨림 현상이 발생하여 2차측 기류의 안정화가 필요한 것으로 분석되었다. 이를 위해, 1차측 및 2차측 측정부 주변의 기류를 안정화 시키기 위해 말단의 풍량 제어 댐퍼를 제거하고 1차측 및 2차측 측정부위를 경질 덕트로 재시공하여(Fig. 6 참조) 접속부에서의 누풍을 재측정하였다. 누풍 재측정 결과는 Table 3 에 정리되어 있다.
작업환경 개선을 위해 막장에 필요한 풍량을 공급할 때 덕트의 누풍 성능이 환기기 용량에 미치는 영향을 터널 연장 변화를 기준으로 분석하였다. 이를 위한 덕트 누풍율은 5 mm2 /m2 , 2.
이 개선안은 1개 접속부 세트를 시작품으로 제작하여 덕트가 설치되어 있는 현장에서 이 시작품의 설치 및 팬 가동시의 접속부의 누풍상태 변화 등 현장설치 적용성을 평가하였다. 접속부를 개선하기 위하여 공사현장의 환경변화에 대한 내후성 및 내열성 등이 우수한 재질인 실리콘재질로 제작하였고, 양쪽 말단 링이 엇대진 부분을 고리 형태의 트랩으로 감싸고 그 양쪽 트랩 고리에 철심을 끼워 넣어 고정시키는 타입으로 제작하였다. 현장에 설치 후 팬 가동을 테스트한 결과 설치에는 큰 문제가 없었으나양쪽 철심이 완전히 펴지지 않아 덕트의 링부위를 완전히 감싸지 못하는 것을 확인하였고, 이를 와이어 또는 플렉시블 타입의 재질로 대체할 필요가 있는 것으로 분석되었다.
조형제 등은(2015) 공사 중 환기용량 계산법으로 국내의 KR C-12130(한국철도시설공단, 2012) 와 도로설계 편람(국토해양부, 2011), 일본의 터널 등 건설공사에서의 환기기술 지침(JCOSHA, 2012), 스위스의 SIA 196 코드(1998) 등의 설계지침을 자세히 비교 분석하였다. 해당 연구에서는 국내의 철도터널 및 도로터널에서 사용하고 있는 공사 중 설계지침에 큰 차이가 없으나, 환기량 계산식의 이론적 한계에 의해 누풍율이 1에 근접할수록 무한대가 되므로, 계산식의 연장 한계가 덕트의 누풍율을 0.
대상 데이터
분석에 적용한 온도 범위는 -30, 0, 30°C, 주변 압력은 950, 1,000, 1,050 hPa이다.
작업환경 개선을 위해 막장에 필요한 풍량을 공급할 때 덕트의 누풍 성능이 환기기 용량에 미치는 영향을 터널 연장 변화를 기준으로 분석하였다. 이를 위한 덕트 누풍율은 5 mm2 /m2 , 2.5 mm2 /m2 , 그리고 1.46 mm2 /m2 을 대상으로 하였다. 5의 값은 S등급 덕트의 누풍율 제시값이고, 1.
이론/모형
누풍 최소화 접속방식을 개발하기 위해 우리는 접속부의 누풍 특성에 대하여 실험적으로 조사 분석을 수행하 였다. 본 실험에서 사용한 방법론은 조형제 등(2015)이 사용한 실험절차와 동일하다. 다른 점이 있다면, 기존방식이 양쪽 링을 서로 맞댄 방식인 반면, 본 실험에서는 링을 서로 엇댄 방식을 사용한 점이다.
본 연구에서는 호남~제주간 가상터널을 대상으로 선정하여 터널 단면 57.2 m 2 에 대해 터널 최소 유지풍속인 0.3 m/s를 유지할 수 있는 풍량을 환기 목표 거리인 15 km연장에 공급될 수 있는 누풍 수준을 검토하였고, 이를 위하여 스위스 SIA 196 코드(1998)의 계산방식을 적용하였다.
아래에는 SIA 196 코드(1998)에 제시되어 있는 환기량 및 압력을 구하는 계산식을 정리하였다. 간략히 설명을더하면, 식 (1)은 팬이 공급해야 되는 풍량 산정을 위해 덕트양단 풍량에 대한 상관관계를 나타낸 것이다.
성능/효과
1. 누풍 최소화를 실현하기 위한 다양한 실험을 통해 누풍율이 1.46 mm2 /m2 이하인 누풍방지막과 조임벨트로 구성된 새로운 접속방식을 개발하여, 연장 15 km구간의 단일환기를 실현하기 위한 누풍율 목표인 2.18 mm2 /m2 를 달성함으로써 인공섬 최소화를 위한 핵심 요소기술을 확보하였다. 또한, 누풍 방지막을 이용한 덕트 체결 방법에 대하여 현재 특허를 출원 중에 있다.
15 km를 대상으로 살펴보면, 30°C에서 -30°C로 온도가 낮아질 경우 팬 압력은 3,129 Pa에서 3,790 Pa로 121% 증가하고, 팬 압력 또한 98 kW에서 118 kW로 120% 증가하는 것으로 분석되었다.
2. 해당 누풍 성능에 대한 기존 S등급의 누풍 성능과의 비교를 통해 15 km구간의 환기시 필요한 팬 압력은 50%(7,027→3,513 Pa), 팬 동력은 27%(404→109 kW)로 감소함을 확인하였다.
3. 온도, 압력, 고도에 대한 매개변수적 분석을 통해 다양한 온도 압력 조건하에서도 현재 개발중인 4 kPa급 팬 으로 충분히 15 km구간의 환기가 가능함을 확인하였다.
4. 현재 국내의 공사중 환기 설계에는 터널 주변 온도, 압력 및 높이를 반영하고 있지 않지만, 검토 결과, 주변 환경 조건이 공사중 팬 용량 선정에 큰 영향을 미치는 것으로 나타나 공사중 환기설계 방법론의 개선이 필요함을 확인하였다.
전체적으로 살펴보면, 외부 온도가 낮은 상태에서 고기압 환경에 노출시 환기기 용량이 가장 커지는 것으로 나타났다. 그러나 모든 분석 조건에서 1.46 mm2 /m2 의 누풍율 적용시의 환기기 용량이 팬 제작 한계를 초과하지 않는 것으로 나타나 충분히 15 km구간의 환기를 수행할 수 있는 것으로 분석되었다.
15 km를 대상으로 살펴보면, 30°C에서 -30°C로 온도가 낮아질 경우 팬 압력은 3,129 Pa에서 3,790 Pa로 121% 증가하고, 팬 압력 또한 98 kW에서 118 kW로 120% 증가하는 것으로 분석되었다. 그러나 전체적으로는 대기압 조건에서 외기 온도 조건이 변하더라도 팬유량 및 팬 압력 측면에서 환기기 용량 변화가 15 km 구간의 환기를 수행하기에 충분한 것으로 분석되었다. 현재 국내 공사중 환기량 계산방식은 이러한 공사중인 터널의 주변온도를 고려하지 않고 있으나, 상기의 분석결과에서 알 수 있듯이 환기기의 용량이 주변온도에 따라 변화하므로, 공사가 진행되는 해당 지역의 온도조건을 반영하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
7에 그래프로 정리하여 나타내었다. 급기 필요풍량은 검토된 모든 누풍 조건에서 15 km 환기거리에 적합한 것으로 분석되었으나, 초장대 해저터널을 위해 개발되고 있는 팬 압력인 4,000 Pa을 기준으로 볼 때, 1.46 mm2 /m2 만이 15 km 환기거리에 적합함을 알 수 있다. 만일 팬 압력에대한 한계를 극복할 수 있다고 하더라도, 15 km 연장을 기준으로 신규 접속방식을 적용할 경우, S등급에 비해 팬압력은 50%(7,027→3,513 Pa), 팬 동력은 27%(404→109 kW) 수준에 불가하므로 초장대 해저터널의 공사기간을 고려한다면, 경제적 이점 또한 클 것으로 예상된다.
따라서, 본 연구에 적용한 누풍 최소화를 위한 접속방식은 15 km의 환기 거리를 달성하기에 충분한 누풍성능을 확보할 수 있는 것으로 평가할 수 있으며, 본 연구를 통해 확보한 접속방식 및 관련 기술에 대해 현재 특허출원 중에 있다.
온도, 압력, 고도에 대한 매개변수적 분석을 통해 다양한 온도 압력 조건하에서도 현재 개발중인 4 kPa급 팬 으로 충분히 15 km구간의 환기가 가능함을 확인하였다. 또한, 고도에 따른 압력 감소, 온도 감소를 고려할 경우, 현재의 누풍 성능에서 최대 20 km까지도 환기가 가능함을 확인하였다.
33 km가 계산식에 적용할 수 있는 한계 거리임을 밝히고 있다. 또한, 초장대 해저터널처럼 환기구 사이가 긴 경우에는 덕트의 연장과 직경의 비율로써 입구측과 출구측의 풍량비율을 구하는 스위스의 SIA 196 코드(1998)가 적합하며, 환기팬 정압 3,000 Pa 기준으로 덕트의 품질이 S등급일 경우, 환기 거리 10.2 km까지 단일 덕트 배치로 환기가 가능하다고 분석하였다. 조형제 등은(2015) 또한 환기거리 15 km를 대상으로 덕트의 품질이 B등급일 경우 덕트의 분할이 5개소가 필요하고, A등급일 경우 덕트분할이 3개소가 필요하다고 밝히고 있다.
이는 해당 실험이 수행된 동절기의 외부 환경 변화가 심한 상황을 고려하면 상당히 긍정적인 결과이다. 만일덕트의 품질 악화 또는 기상악화에 의한 불확실성을 고려하여 안전율을 100% 더 고려할 경우에도 0.1872%/100m 수준의 누풍율이므로 성능목표를 충분히 만족할 수 있다(누풍율 목표 대비 66% 수준). 따라서, 본 연구에 적용한 누풍 최소화를 위한 접속방식은 15 km의 환기 거리를 달성하기에 충분한 누풍성능을 확보할 수 있는 것으로 평가할 수 있으며, 본 연구를 통해 확보한 접속방식 및 관련 기술에 대해 현재 특허출원 중에 있다.
분석 결과, 고도가 높아질수록 팬 공급풍량은 소폭 증가하고 팬 압력 및 동력은 감소하는 양상을 보이고 있다.15 km연장을 기준으로 해발 0 m에서 3,000 m로 높아질 경우, 팬 압력은 3,513 Pa에서 2,654.
누풍 재측정 결과는 Table 3 에 정리되어 있다. 분석 결과, 기류 안정을 위한 덕트 주요 부분을 재설치한 후의 평균 누풍율은 0.0936%/100m로 나타났으며, 이 값은 15km 환기 거리 확보를 위한 성능 목표인 0.283%/100m(SIA 누풍면적일 경우=2.18 mm2 /m2 ) 대비 33%수준의 누풍율이다. 누풍율의 전체 변동폭 또한 0.
분석 결과, 외부 온도가 고정된 상태에서 압력이 올라갈수록 팬풍량은 소폭 감소하고, 팬압력 및 동력은 증가하는 양상을 보이고 있다. 전체적으로 살펴보면, 외부 온도가 낮은 상태에서 고기압 환경에 노출시 환기기 용량이 가장 커지는 것으로 나타났다.
분석결과, 외기 온도가 낮을수록 팬 풍량은 소폭 증가하며 팬 압력 및 동력은 증가폭이 커지는 것으로 나타났다. 15 km를 대상으로 살펴보면, 30°C에서 -30°C로 온도가 낮아질 경우 팬 압력은 3,129 Pa에서 3,790 Pa로 121% 증가하고, 팬 압력 또한 98 kW에서 118 kW로 120% 증가하는 것으로 분석되었다.
2에는 링엇대기+벨트방식의 외형과 실험 과정을 나타내고 있다. 이 방식에 대한 누풍 실험은 총 3회 수행되었으며 최초 실험에서는 아주 양호한 누풍결과를 보였으나(1차 측정시 누풍이 0.044%/100 m), 실험을 수행하면서 팬이 기동 정지를 반복함에 따라 접속부를 체결하는 벨트가 점차 느슨해지고 시간이 지남에 따른 자연적인 풀림 등으로 많은 누기가 발생하여 1차 실험 20일 후 수행된 3차 측정시에는 4.307%/100 m로누풍율이 증가하는 결과를 보여, 15 km환기거리 확보를 위한 누풍목표인 0.283%/100 m( = 2.18 mm2 /m2 )을 확보할 수 없었다(Table1 참조).
이 방식에 대한 누풍 실험은 총 6회 수행되었으며 최소 누풍량은 0.118%/100 m, 최대 누풍량은 0.303%/100 m로 나타났으며, 평균 누풍량은 0.191%/100 m로 성능 목표치인 0.283%/100 m를 만족하는 것으로 나타났다.
분석 결과, 외부 온도가 고정된 상태에서 압력이 올라갈수록 팬풍량은 소폭 감소하고, 팬압력 및 동력은 증가하는 양상을 보이고 있다. 전체적으로 살펴보면, 외부 온도가 낮은 상태에서 고기압 환경에 노출시 환기기 용량이 가장 커지는 것으로 나타났다. 그러나 모든 분석 조건에서 1.
조형제 등은(2015) 공사 중 환기용량 계산법으로 국내의 KR C-12130(한국철도시설공단, 2012) 와 도로설계 편람(국토해양부, 2011), 일본의 터널 등 건설공사에서의 환기기술 지침(JCOSHA, 2012), 스위스의 SIA 196 코드(1998) 등의 설계지침을 자세히 비교 분석하였다. 해당 연구에서는 국내의 철도터널 및 도로터널에서 사용하고 있는 공사 중 설계지침에 큰 차이가 없으나, 환기량 계산식의 이론적 한계에 의해 누풍율이 1에 근접할수록 무한대가 되므로, 계산식의 연장 한계가 덕트의 누풍율을 0.015로 적용할 경우에는 6.67 km, 누풍율을 0.03으로 적용할 경우에는 3.33 km가 계산식에 적용할 수 있는 한계 거리임을 밝히고 있다. 또한, 초장대 해저터널처럼 환기구 사이가 긴 경우에는 덕트의 연장과 직경의 비율로써 입구측과 출구측의 풍량비율을 구하는 스위스의 SIA 196 코드(1998)가 적합하며, 환기팬 정압 3,000 Pa 기준으로 덕트의 품질이 S등급일 경우, 환기 거리 10.
접속부를 개선하기 위하여 공사현장의 환경변화에 대한 내후성 및 내열성 등이 우수한 재질인 실리콘재질로 제작하였고, 양쪽 말단 링이 엇대진 부분을 고리 형태의 트랩으로 감싸고 그 양쪽 트랩 고리에 철심을 끼워 넣어 고정시키는 타입으로 제작하였다. 현장에 설치 후 팬 가동을 테스트한 결과 설치에는 큰 문제가 없었으나양쪽 철심이 완전히 펴지지 않아 덕트의 링부위를 완전히 감싸지 못하는 것을 확인하였고, 이를 와이어 또는 플렉시블 타입의 재질로 대체할 필요가 있는 것으로 분석되었다.
후속연구
해당 누풍 성능에 대한 기존 S등급의 누풍 성능과의 비교를 통해 15 km구간의 환기시 필요한 팬 압력은 50%(7,027→3,513 Pa), 팬 동력은 27%(404→109 kW)로 감소함을 확인하였다. 15 km구간의 단일환기가 가능해 짐에 따라, 인공섬 최소화를 통한 시공성 및 경제성 향상 그리고 장기간의 공사기간 동안 팬 가동에 따른 동력비 절감 등 경제성 측면에 큰 기여를 할 것으로 판단된다.
12 참조). 따라서, 공사중 환기 계산시 SIA 196 코드(1998)에서 제시한 터널 현장의 높이를 고려하여 최적의 환기기 용량을 산정할 필요가 있는 것으로 판단된다.
또한 압력이 높을수록 덕트와 누풍방지막과 벨트가 더 밀착됨으로써 누풍은 더욱 감소하게 된다. 또한, 필요시 조임 벨트에 충진재를 보강하여 더 개선된 누풍 저감효과를 기대할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대표적인 초장대 터널은?
터널은 육상의 두 지역을 연결하기 위해 산악 또는 지중에 설치되는 것이 일반적으로, 스위스의 고타드터널(57 km) 및 로취베르그터널(34.6 km), 스페인의 과다라마터널(28.4 km), 국내의 영동선 솔안터널(16.24 km), 수도권 고속철도 율현터널(52.3 km)이 대표적인 초장대 터널들이다. 특히 고타드터널은 최근 운행이 시작된 세계에서 제일 긴 터널이며, 국내의 율현터널은 세계에서 3번째로 긴 터널로 국내의 터널 굴착 기술 및 공사중 관련 설계기술이 선진국 수준에 있음을 반증하는 시금석이라 할 수 있다.
초장대 해저터널의 건설이 비용이 많이 드는 이유는?
초장대 해저터널의 건설은 건설공간의 제약 및 건설비용 측면에서, 공사중에 사용되는 환기 시스템 설치에 유리한 조건을 갖고 있지 않다. 공사중 환기시스템을 제공하기 위해, 환기갱이 설치되는 인공섬들이 해저터널의 루트를 따라서 일부위치마다 건설됨으로써, 건설 비용이 많이 소요된다. 따라서 이러한 인공섬의 수를 최소화하는 것이 경제적으로 필요하다.
해저터널의 장점은?
최근들어 육상간의 연결을 넘어서 연안도서 및 해협, 국가 사이를 연결하기 위한 해저터널 건설이 늘어나고 있고 이러한 해저터널의 건설로 인하여 선박운송에 비해 기상조건 악화시에도 운행이 가능하고 물류 이동속도가 향상되는 장점이 있다. 특히 허재완(2010)은 이러한 해저터널의 장점으로 유로터널을 대상으로 한 사회경제적 효과를 상세히 제시하였다.
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