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문제 정의
- 본 연구에서는 관련문헌 조사 분석을 통해 적정 수준의 세부적용 조건들을 선정, 철도시설의 안전성 분석 관련한 국내 법규조항을 기준으로 서로 다른 연장을 가진 모델 터널들의 Case Study를 통해 (1) 정량적 위험도 평가 기법 소개, (2) 모델 터널에 대한 QRA 분석 및 방재 계획의 적정성 검토, (3) 사회적 위험도 기준 범위 내에서의 대피통로(피난연결통로) 미적용 및 1개소 적용 가능한 터널 최대연장에 대해 분석을 수행하고자 한다.
- 본 연구에서는 서로 다른 연장을 가지고 있으며 터널 제원이 동일한 모델 터널들을 통해 정량적 위험도 분석을 수행하였다. 적용 대상 방재시설은 국가별로 적정 설치 거리에 대한 기준이 마련되어 있어 정량적 검토가 가능한 대피촉진시설 중 대피통로(피난연결통로)를 선정하였다.
- 본 연구에서는 화재와 같은 비상 상황시 철도터널의 대피, 구조 및 소방시설 등에 대한 방재계획의 적정성을 정량적으로 평가하기 위해 국내 법규에 명시하고 있는 정량적 위험도 분석을 통해 안전성, 경제성 및 사회적 요구수준이 고려된 방재계획에 대한 검토를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
제안 방법
- 세부적으로, 시나리오 구성 및 선정을 위해 국내외 철도터널 화재사고 관련 자료를 분석하였으며, 시나리오 분기비율 산정을 위해 열차 운전방향, 열차 기동 확률, 화재 진압 확률, 터널내 화재지점, 화재차량의 위치, 탈출방향 등에 대한 검토를 수행하였다. 국내외 철도터널 방재 관련 기준 및 법규, 국가별 사회적 위험 기준에 대해서도 조사하였으며, 화재강도 선정, 사망위험 평가 그리고 연기확산 및 피난대피 등 분석 수행을 실시하였다.
- 대피속도는 전방 대피자와의 거리에 따른 보행속도 변화, 대피자들의 밀도, 가시도와 보행속도 간 관계를 고려하였고, 대피자 밀도에 따른 대피속도(Wspd)는 SFPE(소방엔지니어협회)에서 제시한 Wspd = k − a · k · DH, DH > 0.55person/m2 , Wspd = 0.85k (a = 0.266m2 /person, DH: 밀도, k: 상수로 1.4m/s 적용)를 통해 산출하였다.
- 사용자의 편리성을 위해서 GUI(Graphical User Interface) 환경에서 프로그래밍 하였으며, Event Tree에 의한 화재발생 시나리오를 작성하기 위한 터널기본제원 및 열차배치, FED계산을 위한 화재강도 및 MDB 생성을 위한 FED Model 설정, 그리고 열차구성 및 승객 모델, 피난전시간과 관련한 제원을 입력하는 시뮬레이션 모듈로 구성된다. 또한 승객의 피난시간은 FED 해석에 가장 큰 영향을 미치게 되므로, 전 세계적으로 사용되고 있는 IES사의 SIMULEX 프로그램과의 비교를 통해 피난시간의 적정성을 평가하였다.
- 또한, 모델 터널과 국내 고속철도 터널 유사규모 사례 그리고 국외 기준들과의 비교를 통해 적용기준의 적정성에 대해 분석해 보았으며, 중요 대피촉진시설 중 하나인 대피통로(피난연결통로) 미적용 가능 터널최대연장 및 1개소 적용가능 터널최대연장에 대한 분석도 수행하였다. 마지막으로 모델 터널의 각 Case별 QRA 결과와 철도터널 방재기준에 따른 방재계획과의 비교를 통해 적정성을 검토하였으며, QRA 분석에 필수적인 세부기준(사고 시나리오 및 분기비, 화재강도, 사고 빈도 추출 등)에 대한 검토도 병행하였다.
- 또한, 모델 터널과 국내 고속철도 터널 유사규모 사례 그리고 국외 기준들과의 비교를 통해 적용기준의 적정성에 대해 분석해 보았으며, 중요 대피촉진시설 중 하나인 대피통로(피난연결통로) 미적용 가능 터널최대연장 및 1개소 적용가능 터널최대연장에 대한 분석도 수행하였다. 마지막으로 모델 터널의 각 Case별 QRA 결과와 철도터널 방재기준에 따른 방재계획과의 비교를 통해 적정성을 검토하였으며, QRA 분석에 필수적인 세부기준(사고 시나리오 및 분기비, 화재강도, 사고 빈도 추출 등)에 대한 검토도 병행하였다.
- )은 실제 승객이 안전지역으로 이동하는데 소요되는 시간으로 필요안전 피난시간에서 많은 부분을 차지하며, 보행속도, 승객수, 통로 폭, 대피로 형태(계단, 문 등)에 따라 큰 영향을 받는다. 본 연구에서는 감지시간과 경고방송시간을 경고방송시간으로 통합, 인지시간 및 반응시간을 대피결정시간으로 하여 열차에서 하차하는시간으로 반영하였고, 안전지역으로 이동하는 시간은 앞사람과의 간격, 대피자 밀도, 가시도를 고려하여 대피속도를 구하여 산정하였다.
- 터널 내 열차에서 화재 발생 후 피난 개시까지의 단계별 진행과정은 ‘Table 7’과 같다. 부가적으로, 시나리오 설정시 화재지점(대피거리에 따른 사상자수 차이 발생)과 화재차량의 위치를 반영하였으며 터널에 배연 설비(제연팬 등)가 설치되는 경우에는 배연운전 성공여부를 시나리오에 추가할 수 있으나 본 연구에서는 배연운전 성공여부에 대해 고려치 않았다.
- 사망위험 평가를 위한 사상자 수 측정방법은 유효복용분량(FED, Fractional Effective Dose) 평가 방법, 유효안전피난시간 (ASET) 및 필요안전피난시간(RSET) 비교법이 사용되고 있는데, 본 연구에서는 화재시 인체에 미치는 유해물질의 영향(열환경, 유해가스 노출 등)의 정량적 평가가 가능한 유효복용분량(FED) 산정 방법을 채택하였다.
- 대피해석 및 사망자수 추정을 위한 프로그램은 상기의 대피해석 방법 및 사망자수 추정 모델을 적용하여 작성된 QRA-Pro 프로그램을 사용하였다. 사용자의 편리성을 위해서 GUI(Graphical User Interface) 환경에서 프로그래밍 하였으며, Event Tree에 의한 화재발생 시나리오를 작성하기 위한 터널기본제원 및 열차배치, FED계산을 위한 화재강도 및 MDB 생성을 위한 FED Model 설정, 그리고 열차구성 및 승객 모델, 피난전시간과 관련한 제원을 입력하는 시뮬레이션 모듈로 구성된다. 또한 승객의 피난시간은 FED 해석에 가장 큰 영향을 미치게 되므로, 전 세계적으로 사용되고 있는 IES사의 SIMULEX 프로그램과의 비교를 통해 피난시간의 적정성을 평가하였다.
- 5/5km, 단/복선, 구배 고정)의 총 4가지 모델터널을 고려하였다. 세부적으로, 시나리오 구성 및 선정을 위해 국내외 철도터널 화재사고 관련 자료를 분석하였으며, 시나리오 분기비율 산정을 위해 열차 운전방향, 열차 기동 확률, 화재 진압 확률, 터널내 화재지점, 화재차량의 위치, 탈출방향 등에 대한 검토를 수행하였다. 국내외 철도터널 방재 관련 기준 및 법규, 국가별 사회적 위험 기준에 대해서도 조사하였으며, 화재강도 선정, 사망위험 평가 그리고 연기확산 및 피난대피 등 분석 수행을 실시하였다.
- 국내 철도터널 설계는 과거 단선터널이 주를 이루었지만, 철도의 고속화에 따른 수요 증대로 기존철도 및 신규철도 대부분이 복선화로 이루어지고 있다. 이에 따라, 국내 장대터널의 경우 방재를 고려한 단선병렬 터널과 복선터널 두가지 Case에 대하여 모델터널을 설정하고 한국철도시설공단에서 수행하여 QRA 분석이 완료된 터널(노령, 정금)과 모델터널과의 방재시설 적정성을 상호 비교하였다.
- 호남고속철도 및 원주강릉 복선전철 터널별 QRA분석보고서[6]의 사례 중에서 대피통로 미설치, 1개소 설치 터널 최대연장 부근의 사례를 기준으로 비교하였다.
대상 데이터
- 국내 통계자료인 2015년 철도통계연보[5]를 인용하여 분석하였는데, 화재사고 발생률은 2000년 이후 현저한 감소 추세를 보이므로 2001년 이후 자료를 통계자료로 활용하였다. 아래 ‘Table 8’에서 여객차량에 대한 화재사고건수(2001년 이후 합계, 2008년부터 2015년까지는 화재사고 미발생)는 총 9건으로, 화재사고 발생률로 환산할 경우 0.
- 본 연구에서는 모델 터널을 운행하는 열차를 고속철도 차량인 KTX로 적용하였으므로, 국내의 호남고속철도 KTX-산천 목업 화재 실험을 통해 도출된 화재강도값을 준용, 15MW의 화재강도를 선정하였다. 이 실험이 실제 KTX-산천 내장재 구성과 거의 동일한 조건에서 수행되었기 때문이다.
- 본 연구에서는 서로 다른 연장을 가지고 있으며 터널 제원이 동일한 모델 터널들을 통해 정량적 위험도 분석을 수행하였다. 적용 대상 방재시설은 국가별로 적정 설치 거리에 대한 기준이 마련되어 있어 정량적 검토가 가능한 대피촉진시설 중 대피통로(피난연결통로)를 선정하였다.
- 철도터널 안전성 분석과 방재계획의 적정성 검토를 위해 본 연구에서는 각기 다른 2개 연장(L=2.5/5km, 단/복선, 구배 고정)의 총 4가지 모델터널을 고려하였다. 세부적으로, 시나리오 구성 및 선정을 위해 국내외 철도터널 화재사고 관련 자료를 분석하였으며, 시나리오 분기비율 산정을 위해 열차 운전방향, 열차 기동 확률, 화재 진압 확률, 터널내 화재지점, 화재차량의 위치, 탈출방향 등에 대한 검토를 수행하였다.
데이터처리
- 3’은 단선 및 복선운행시 터널제원은 동일하고 서로 다른 연장을 가진 모델터널(대피통로 적용)들을 통해 위험기준 범위(ALARP 영역) 분석을 하였다.
이론/모형
- 대피해석 및 사망자수 추정을 위한 프로그램은 상기의 대피해석 방법 및 사망자수 추정 모델을 적용하여 작성된 QRA-Pro 프로그램을 사용하였다. 사용자의 편리성을 위해서 GUI(Graphical User Interface) 환경에서 프로그래밍 하였으며, Event Tree에 의한 화재발생 시나리오를 작성하기 위한 터널기본제원 및 열차배치, FED계산을 위한 화재강도 및 MDB 생성을 위한 FED Model 설정, 그리고 열차구성 및 승객 모델, 피난전시간과 관련한 제원을 입력하는 시뮬레이션 모듈로 구성된다.
- 본 연구에서도 홍콩 PHI 기준을 적용하였으며, ‘Table 6’과 같은 순서로 정량적 위험도 분석을 수행하였다.
- 화재시 피난자의 사망위험을 평가하기 위한 무력화 기준은 ISO-13571 Life-Threatening Components of Fire - Guideline for the Estimation of Time Available for Escape using Fire Data(2007)에 따라 0.3을 기준으로 하였으며, 등가사망 컨셉을 반영한 사망자수 예측 기준은 다음과 같다.
성능/효과
- (1) 서로 다른 연장을 가진 모델 터널에 대해 QRA 기법을 적용함으로써 방재시설 계획에 대해 안전성, 경제성 그 리고 사회적 위험기준 등을 고려한 터널 위험도의 정량적 평가가 가능하였다.
- (2) 모델 터널 분석에 있어서 Case 2(단선 2.5km), Case 3(단선 5km) 그리고 Case 6(복선 5km)의 경우 추가적인 방재시설의 계획이 필요하였고, Case 4(복선 2.5km)의 경우는 적절한 방재시설이 계획된 것으로 분석되었다. 모델 터널들과는 별도로, 사회적 위험기준 범위 이내에서 방재시설 계획을 고려하지 않아도 되는 터널 최대 연장은 본 연구에서 제시한 적용조건 기준으로 단선터널의 경우 약 2.
- (3) 작성된 사고 시나리오의 각 분기비 산정시 적용조건들에 대한 발생확률은 국외 연구자들에 따라 다소 상이한 기준들을 제시하고 있었다. 모델 터널과 유사사례 비교에서도 보았듯이 비슷한 연장의 철도터널이라 하더라도 터널 특성과 어떤 세부기준들을 적용하느냐에 따라 QRA 결과가 달라질 수 있으므로, QRA 분석을 위한 사고시나리오 분기비, 설계화재강도, 사망위험 평가기준, 사회적 위험기준 등 국내 여건에 적합한 세부적용조건들에 대한 연구가 병행되어져야 할 것이다.
- QRA-Pro 프로그램을 사용한 피난시간을 SIMULEX 프로그램과 비교한 결과, 전체적인 피난시간의 변화 정도는 잘 맞는 것으로 분석되었다. 연장이 짧은 터널의 피난시간이 다소 큰 경향이 있으나, 이는 프로그램의 에러가 아니라 두 프로그램의 로직 구성의 차이에서 비롯된 것으로 판단된다.
- 또한, 연장이 짧은 1km 규모의 터널에서의 위험도 수준은 상대적으로 낮으므로, 이러한 차이에 따른 영향은 미세할 것으로 판단된다. 결론적으로 두 프로그램의 전체적인 피난시간 예측은 잘 일치하고 있는 것으로 분석되었다. 따라서 QRA-Pro 프로그램의 피난시간 분석은 적정한 것으로 판단된다.
- 5km)의 경우는 적절한 방재시설이 계획된 것으로 분석되었다. 모델 터널들과는 별도로, 사회적 위험기준 범위 이내에서 방재시설 계획을 고려하지 않아도 되는 터널 최대 연장은 본 연구에서 제시한 적용조건 기준으로 단선터널의 경우 약 2.3km, 복선터널의 경우 약 4.3km로 분석되었다. 이 결과는 향후 고속철도 터널 건설시 기초자료로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
- (4) 국내 관련규칙 및 기준이 몇차례에 걸쳐 개정(항목 추가, 최근기술 반영 등)되었으나, 기술선진국 기준들과의 세밀한 비교분석을 통한 추가필요항목 반영으로 국제적 수준에 부합하는 성능중심 기준으로의 변화가 필요하며, 국내 현행기준 중 유사 기준간 통폐합 그리고 상하위 기준 체계 정립을 통한 선진화된 기준 관리도 병행되어야 할 것으로 판단된다.
- 7km까지도 대피통로가 미 고려되어 있어 상기 결과차이는 터널의 규모보다 QRA 적용조건 차이에 의해 발생되는 것으로 판단된다. 따라서 사고 시나리오 분기비 산정비 적용조건들에 대한 발생확률은 연구자들 간 다소 상이한 결과를 보이고 있어 향후 QRA 분석을 위한 사고 시나리오 분기비, 설계화재강도, 사망위험 평가기준, 사회적 위험기준 등 국내 여건에 적합한 세부적용조건들의 연구 병행이 필요하다.
- (3) 작성된 사고 시나리오의 각 분기비 산정시 적용조건들에 대한 발생확률은 국외 연구자들에 따라 다소 상이한 기준들을 제시하고 있었다. 모델 터널과 유사사례 비교에서도 보았듯이 비슷한 연장의 철도터널이라 하더라도 터널 특성과 어떤 세부기준들을 적용하느냐에 따라 QRA 결과가 달라질 수 있으므로, QRA 분석을 위한 사고시나리오 분기비, 설계화재강도, 사망위험 평가기준, 사회적 위험기준 등 국내 여건에 적합한 세부적용조건들에 대한 연구가 병행되어져야 할 것이다.
- 3km로 분석되었다. 이 결과는 향후 고속철도 터널 건설시 기초자료로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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