[논문]터널형 탄약고의 격실 설계 방법에 대한 연구

박상우; 백장운; 박영준

doi:10.5345/jkibc.2020.20.3.279

터널형 탄약고의 격실 설계 방법에 대한 연구
Study on Design Method of Tunnel-type Ammunition Storage Chamber 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.20 no.3, 2020년, pp.279 - 287

박상우 (Korea Military Academy) , 백장운 (Korea Military Academy) , 박영준 (Korea Military Academy)

초록
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최근 지하형 탄약고에 대한 수요가 발생하고 사업이 구체화되고 있는 상황에서 지하형 탄약고에 대한 설계 방법의 부재가 상당한 걸림돌이 되고 있다. 본 연구에서 분석한 바와 같이 군 작전적 측면과 안전거리 기준 등의 안전 문제로 인해 민간에서 사용하는 일반적인 터널 설계 기준이나 지하형 탄약고에 대한 기존 연구결과들을 통해서는 제대로 된 지하형 탄약고를 구축할 수 없다. 따라서 실무자들이 지속적으로 순환되는 우리나라 군 및 관 특성상 표준화된 설계방법이 존재하지 않을 경우 지하형 탄약고의 설치는 상당히 지연될 수 밖에 없을 것이다. 이에 본 연구에서는 격실 설계, 격실 배치, 터널 및 출입구 설계, 공조설비 설계방법에 대해 고려해야할 사항들을 분석하고 전체적인 설계 프로세스를 정립하였다. 이를 토대로 설계 예시를 제공하였으며, 관련 전문가가 아니더라도 단계별로 설계를 따라 할 수 있도록 하였다. 지하형 탄약고는 세계적으로 시공사례가 많지 않다. 하지만 민·군 상생에 대한 국가 정책과 시장 추세를 비추어볼 때 지하형 탄약고에 대한 수요는 지속적으로 증가할 것으로 전망된다. 따라서 본 연구를 시작으로 지하형 탄약고에 대한 연구가 활성화되어 향후 대한민국이 기술 수출 등을 통해 세계 시장을 좌우할 수 있게 되기를 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the demand for underground-type ammunition storage facilities has increased. Comparing with a ground-type ammunition storage facility, the underground-type ammunition storage facility can decrease the standard of safety distance because fragment and blast wave can be locked in the rock formation. However, the absence of a design method on the underground-type ammunition storage chamber became a major setback for the construction promotion. In this study, the process for designing an overall configuration of the underground-type ammunition storage facility was provided. First, the determination method for configuration and number of the chamber was developed by performing the ammunition storage simulation. Then, a tunnel (i.e., transfer channel for vehicles) and designed chambers can be arranged on the basis of safety distance standard. The safety distance standard also should be considered for determining the location and the size of entrances because of the blast wave and fragment effect at the entrances when an explosion is generated inside a chamber. In addition, considerations on the design for the waterproof and the drainage of subsurface water were analyzed through construction cases. Finally, an example of designing underground-type ammunition storage chambers was provided in order to verify the developed design process.

주제어

표/그림 (15)

그림 Figure 1. Schematic of ammunition storage method
그림 Figure 2. Process of ammunition storage simulation
그림 Figure 3. Example of ammunition storage simulation
그림 Figure 4. Process of ammunition storage chamber design
그림 Figure 5. Schematic of safety distance standard for underground-type ammunition storage facility
그림 Figure 6. Process of ammunition storage chamber arrangement
표 Table 1. Safety distance standard for underground-type ammunition storage facility
그림 Figure 7. Propagation of blast wave and fragment in entrance
그림 Figure 8. Result of ammunition storage chamber arrangement
표 Table 2. Summary of ammunition information for design
표 Table 3. Assumptions for ammunition storage simulation
표 Table 4. Calculation of required length of chamber
표 Table 5. Design result for underground-type ammunition storage chamber
표 Table 6. Safety distance on ground shock effect
표 Table 7. Safety distance on fragment and blast wave in entrance

AI 본문요약
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문제 정의

그 결과를 토대로 격실의 설계에서부터 배치, 출입구 설계 및 각종 방호 구조물 적용 방안까지 설계 방법을 정리 하였으며, 한 가지 사례를 예로 들어 설계 방법을 실제 적용 해 보았다. 본 연구를 통해 개발된 설계 방법을 이용하여 향 후 지하형 탄약고에 대한 사업 수행 시 신뢰성 있고 통일된 설계 안을 도출할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 개발된 설계방법을 통해 지하형 탄약고 설계의 예시를 제공하고자 하였다. 저장해야 할 탄약의 정보는 Table 2와 같고, 상부 임계두께 45m를 만족하는 부지가 충분하게 존재한다고 가정하였다.
본 연구에서는 지하형 탄약고의 전체적인 구조 형태와 격실의 형상 및 배치를 설계하는 방법을 개발하고, 이를 이용하여 설계 예시를 수행하였다.
따라서 지하형 탄약고 격실의 크기는 부지 환경(지반의 암반 종류, 부지의 면적 등)과 시공 환경(시공비, 시공 장비의 진입여부 등)에 따라 결정되어야 한다. 이에 본 논문에서는 설계 시 참고할 수 있도록 격실 크기에 대한 연구결과와 권고 사항만을 소개하고자 한다.
이에 본 연구에서는 지하형 탄약고의 설계 방법 특히, 전 체적인 형태와 격실의 크기 및 배치를 결정하는 방법을 표 준화하는 작업을 수행하였다. 먼저 지하형 탄약고에 대한 기 존 시공사례와 연구사례를 분석하고, 보완 사항들을 도출하 였다.

가설 설정

4) 개인화기 등 부피가 작은 탄종은 상자(box) 단위로 저장이 가능하다.
이에 미래의 상황을 모두 예측하여 격실을 설계할 수 없으므로, 현재의 생산 정보와 상태만을 고려하고, 각 생산 정보와 상태에 해당하는 탄약의 부피는 모두 균등하게 배분하였다. 마지막으로 상자 단위로 저장이 가능한 탄종은 받침대 위에 상자를 쌓는 방식으로 저장하되, 안정성을 고려하여 하나의 받침대 위에 최대 8개의 상자까지만 올려놓을 수 있도록 가정하였다. 이러한 탄약 저장 기준과 가정사항을 적용하여 탄약 저장 시뮬레이션을 수행하는 방법을 Figure 2에 제시하였다.
5m를 고려하여 여유공간을 확보하였다. 마지막으로 지게차의 최대 적재 가능 높이를 3.5m로 가정하여 받침대를 최대 5단까지 쌓을 수 있도록 하였다. 이 경우 격실 단면상에 총 4개의 받침대가 저장될 수 있으며, 이를 기준으로 요구되는 격실의 총 길이가 Table 4와 같이 계산될 수 있다.
본 연구에서는 개발된 설계방법을 통해 지하형 탄약고 설계의 예시를 제공하고자 하였다. 저장해야 할 탄약의 정보는 Table 2와 같고, 상부 임계두께 45m를 만족하는 부지가 충분하게 존재한다고 가정하였다.

제안 방법

2) 전시 출입구 붕괴에 대비하여 예비 및 대피경로를 확보하고, 복구 작업 등 작전성 검토를 실시한다.
먼저 탄약을 저장하는 여러 기준들을 정리하여 탄약 저 장 시뮬레이션 방법을 제시하고, 이를 이용하여 격실을 정확하게 설계하는 방안을 개발하였다. 격실의 단면을 결정하고, 탄약 저장 시뮬레이션을 수행하여 탄약을 저장할 경우 요구되는 격실의 총 길이를 결정하도록 하였다. 여기서 부지 및 시공환경과 상부 임계두께 기준에 의거하여 격실 당 길이와 총 개수를 결정할 수 있다.
먼저 지하형 탄약고에 대한 기 존 시공사례와 연구사례를 분석하고, 보완 사항들을 도출하 였다. 그 결과를 토대로 격실의 설계에서부터 배치, 출입구 설계 및 각종 방호 구조물 적용 방안까지 설계 방법을 정리 하였으며, 한 가지 사례를 예로 들어 설계 방법을 실제 적용 해 보았다. 본 연구를 통해 개발된 설계 방법을 이용하여 향 후 지하형 탄약고에 대한 사업 수행 시 신뢰성 있고 통일된 설계 안을 도출할 수 있도록 하였다.
그 후, 구분된 퇴적에 따라 저장 시뮬레이션을 하되, 퇴적과 퇴적 사이, 퇴적과 벽면 사이, 그리고 지게차 운용을 위한 여유공간을 확보하면서 수행한다. 또한 최대 쌓을 수 있는 받침대의 높이는 지게차의 최대 적재 가능 높이를 고려하여 결정한다.
다음 단계는 터널의 형상을 결정하는 것으로 교통영향평가와 작전성 측면에서의 검토가 필요하나, 본 예제에서는 2 차선 도로 폭과 적재공간 및 회차공간을 고려하여 폭 15m, 높이 7.5m로 간단하게 설계하였다. 터널의 형상을 결정했으면, 그에 따라 격실을 배치하면 된다.
이에 본 연구에서는 지하형 탄약고의 설계 방법 특히, 전 체적인 형태와 격실의 크기 및 배치를 결정하는 방법을 표 준화하는 작업을 수행하였다. 먼저 지하형 탄약고에 대한 기 존 시공사례와 연구사례를 분석하고, 보완 사항들을 도출하 였다. 그 결과를 토대로 격실의 설계에서부터 배치, 출입구 설계 및 각종 방호 구조물 적용 방안까지 설계 방법을 정리 하였으며, 한 가지 사례를 예로 들어 설계 방법을 실제 적용 해 보았다.
먼저 탄약을 저장하는 여러 기준들을 정리하여 탄약 저 장 시뮬레이션 방법을 제시하고, 이를 이용하여 격실을 정확하게 설계하는 방안을 개발하였다. 격실의 단면을 결정하고, 탄약 저장 시뮬레이션을 수행하여 탄약을 저장할 경우 요구되는 격실의 총 길이를 결정하도록 하였다.
하지만 지하형 탄약고의 설계에서는 군 작전성과 출입구에서의 안전거리를 동시에 고려해야 한다. 본 예제에 서는 군 작전측면에 대해서는 고려를 하지 않고 있으므로, 안전거리 기준에 의거하여 출입구 설계를 진행하였다. 출입 구에서부터 첫 번째 격실이 나올 때까지의 거리를 50m로 가정하면 Table 7과 같이 안전거리가 계산된다.
이 경우 격실 단면상에 총 4개의 받침대가 저장될 수 있으며, 이를 기준으로 요구되는 격실의 총 길이가 Table 4와 같이 계산될 수 있다. 본 예제에서는 시공 가능한 부지의 면적은 충분하다고 가정하였으므로 부지환경이나 시공환경, 그리고 작전성에 대한 검토는 생략하고, 안전거리에 따라 격실 설계를 마무리하였다. 상부 임계두께가 45m이므로 안전거리에 의거하여 하나의 격실 당 최대 저장할 수 있는 순폭약량은 약 88,500kg로 계산되며, 이를 근거로 Table 5와 같이 격실의 개수와 각 격실의 형상을 도출해낼 수 있다.
설계 예시는 군 작전 측면을 배제하고 안전거리 기준에만 의거하여 설계를 진행하도록 구성하였다. 격실 설계에서부터 격실배치, 그리고 출입구 설계까지 단계별로 따라할 수 있도록하였으며, 이를 통하여 전문가가 아닌 인원들도 지하형 탄약고에 대한 안전검토나 개념 설계를 수행할 수 있을 것으로 기대한다.
앞서 언급한 바와 같이 현재 운용 중인 국내 지하형 탄약고는 방·배수에 대한 구조적 시스템을 제대로 갖추지 않았다. 숏크리트만으로 터널 및 격실 벽면을 마감하였으며, 탄 약에 대한 지하수의 직접적인 접촉을 방지하기 위해 방수천막을 설치하였다. 따라서 지하수가 방수천막을 따라 흘러내리고 있고, 안개와 높은 습도로 인해 운용상 문제점이 많이 식별되고 있다.
또 다른 연구로는 △△탄약대대 지하형 탄약고운영소요 검토결과 연구 (2016)가 있다[6]. 이 연구에서는 지상형 탄약고 표준 격실 당 저장 가능한 탄약의 부피를 기준으로 격실 개수를 산정하였다. 하지만 이 방법도 지하형 탄약고 격실 설계에 그대로 적용될 수 없다.
가장 먼저 격실의 단면 크기를 결정한다. 이를 위해 부지 환경과 시공 환경이 고려되어야 하지만, 본 예제에서는 권고사항에 따라 폭 15m, 높이 7.5m로 격실의 단면 크기를 결정하였다. 이후, 탄약을 저장하는데 필요한 총 받침대의 수와 생산 정보 및 상태의 수를 고려하여 구분해야 할 퇴적 개수를 계산하고, 각 퇴적 당 동일한 부피(개수)의 받침대가 배분될 수 있도록 구분해야 한다.
첫 번째는 지하형 탄약고에 대한 한미공동 연구가 진행되었을 당시 연구 목적으로 지어진 지하형 탄약고다. 폭약 15m, 길이 약 35m의 격실을 보유하고 있으며, 이 제원은 지상형 탄약고 표준 격실에 대한 탄약 저장량을 토대로 결정하였다. 이 시공 사례를 통해 지하형 탄약고의 항온성, 차광성, 방화성, 방폭성, 방진성, 내후성, 보안성, 운영성 측면에서의 우수한 성능이 평가되었다.

대상 데이터

이 시공 사례를 통해 지하형 탄약고의 항온성, 차광성, 방화성, 방폭성, 방진성, 내후성, 보안성, 운영성 측면에서의 우수한 성능이 평가되었다. 두 번째 사례는 2015년 경기도 ○○탄약부대에 시공된 지하형 탄약고이다. 폭약 15m, 길이 약 60m의 격실을 보유하고 있으며, 군 최초로 기부 대 양여 사업으로 시공된 지하형 탄약고이다.
또한 최대 쌓을 수 있는 받침대의 높이는 지게차의 최대 적재 가능 높이를 고려하여 결정한다. 본 예제에서는 퇴적과 퇴적 사이, 그리고 퇴적과 벽면 사이는 1m의 공간을 두고, 지게차 회전반경 3.5m를 고려하여 여유공간을 확보하였다. 마지막으로 지게차의 최대 적재 가능 높이를 3.
과거에 일부 지어진 지하형 탄약고가 존재하나 1990년도 이후대규모로 시공된 사례는 2007년 시공된 싱가포르 지하 탄약저장시설이 유일하다. 폭약 25m, 길이 약 100m의 대 규모 격실을 보유하고 있으며, 파편함정, 팽창격실, 출구방 벽 등 안전거리와 관련된 구조물이 적용되었다. 또한 이를 시공하기 위해 다양한 지하 폭발 시험도 수행되었으며, 이는 NATO 안전거리 기준의 근거를 마련하기도 하였다.

성능/효과

1) 터널 라이닝을 필수적으로 설치하고, 숏크리트와 라이닝 사이에 부직포 및 배수재를 설치함으로써 지하수를 유도 배수시킨다.
2) 모든 격실마다 온도 및 습도를 유지할 수 있는 제습난방 시스템과 폭발에 의한 가스나 매연을 배출할 수 있는 환기 시스템을 설치한다.
3) 격실의 우발적 폭발에 의해 출입구에서 발생하는 폭풍 압과 파편에 의한 안전거리 기준을 만족해야 한다.
3) 탄약 저장 시 지게차의 운용과 검사를 위한 관리인원의 이동공간을 충분히 확보해야 한다.
폭약 15m, 길이 약 60m의 격실을 보유하고 있으며, 군 최초로 기부 대 양여 사업으로 시공된 지하형 탄약고이다. 경계 및 관리 인원이 감축되었고, 탄약 수불능력도 지상 형 대비 많이 개선되었다는 평가를 받았다. 다만, 전체 시설이 숏크리트로 마감되어 방수천막을 설치하여 탄약이 관리 되고 있기 때문에 방수 및 배수와 환기 측면에서 운용상 문제점이 식별되었고, 이에 대한 중요성이 이슈화된 시공사례가 되었다.
즉, 격실 당 최대 순폭약량뿐만 아니라 출입구에서부터 격실까지의 거리에 따라 최대 안전 거리를 좌우하는 격실이 달라질 수 있으며, 따라서 지하형 탄약고의 출입구를 설계할 경우에는 모든 격실에 대해서 출 입구에 대한 안전거리를 계산해야 할 것이다. 본 예제에서는 출입구에서부터 부대시설까지의 거리는 최소 307m의 이격 거리를, 병영시설이나 민간시설 등 주거시설까지의 거리는 최소 810m의 이격거리를 유지해야 한다는 결론이다.
폭약 15m, 길이 약 35m의 격실을 보유하고 있으며, 이 제원은 지상형 탄약고 표준 격실에 대한 탄약 저장량을 토대로 결정하였다. 이 시공 사례를 통해 지하형 탄약고의 항온성, 차광성, 방화성, 방폭성, 방진성, 내후성, 보안성, 운영성 측면에서의 우수한 성능이 평가되었다. 두 번째 사례는 2015년 경기도 ○○탄약부대에 시공된 지하형 탄약고이다.
그 후 2015년 ○○탄약부대에 지하형 탄약고를 구축하기 위하여 설계 및 설치 기준을 정립할 필요가 발생하였고, 이에 대한 연구가 진행된 바 있다[4]. 이 연구를 통해 격실의 최적 형상이 제시되었고, 토목 기술적 측면에서 설치 지침 안이 개발되었다. 하지만 구조물의 전체 형태 및 배치 설계에 대한 내용이 부재하였고 결국 설계 기준으로 발전되지는 못했다.
또한 이를 시공하기 위해 다양한 지하 폭발 시험도 수행되었으며, 이는 NATO 안전거리 기준의 근거를 마련하기도 하였다. 자동화 및 운용 시스템을 적용하여 약 20%의 인력을 절감하였으며, 공사비용은 약 15% 증가하였으나 동일한 용량의 지상형 탄약고를 구축하였을 때와 비교하여 약 4km2의 지상 면적을 절감할 수 있었다고 분석되었다. 이는 부지 구입 비용 중 약 90%가 절약된 효과이다[3].

후속연구

설계 예시는 군 작전 측면을 배제하고 안전거리 기준에만 의거하여 설계를 진행하도록 구성하였다. 격실 설계에서부터 격실배치, 그리고 출입구 설계까지 단계별로 따라할 수 있도록하였으며, 이를 통하여 전문가가 아닌 인원들도 지하형 탄약고에 대한 안전검토나 개념 설계를 수행할 수 있을 것으로 기대한다.
여기서 격실 당 길이를 결정하기 위해서는 격실 크기 결정 시 고려했던 부지 환경과 시공 환경뿐만 아니라 안전거리 기준에 따른 최대 저장 가능 순폭약량도 고려해야 한다. 또한 너무 많은 수의 격실을 설치할 경우 증가하게 될 탄약 수불에 대한 소요시간과 전시의 동시 차량 출입에 대한 작전성 측면에서의 검토도 병행되어야 할 것이다. 전체적인 격실 설계 방법을 Figure 4에 정리하였다.
이외에도 수직구를 설치하거나 지열 냉난방 시스템 등 신재생에너지를 활용한 공조설비도 적용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지하형 탄약고의 특징은 무엇인가?	지하형 탄약고는 일반적인 지상형 탄약고와는 다르게 지하 암반이 폭풍압과 파편을 지하로 가두는 특징을 가지고 있다. 따라서 지상형 탄약고와 비교하여 안전거리를 상당부 분 감소시킬 수 있다.
	탄약고는 어떻게 설치되어야 하는가?	탄약고는 안전거리 기준에 의거하여 주변 시설과 일정한 간격을 두고 설치되어야 한다[1,2]. 특히, 주거시설과의 안전 거리는 심각한 손상을 방지할 정도로 상당한 거리를 유지해 야하기 때문에 도심지에 위치하고 있는 탄약부대는 광범위한 군사보호구역을 설정하여 운용하고 있다.
	군에서는 국방개혁 2.0 정책을 어떻게 진행하고 있는가?	0 정책을 통해 지역사회와 상생하는 군사시설을 조성하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 군 작전에 지장이 없는 범위 내에서 유휴 군사 시 설을 정리하고, 해·강안 경계 철책을 축소하고 있다. 또한 국가정책의 이행에 기여하고, 감축되는 병력으로도 최선의 국방력을 유지하기 위해 4차 산업혁명 핵심기술을 국방 분야 에 적용하려는 움직임을 보이고 있다.

참고문헌 (7)

Ministry of National Defense. Instruction of Safety control standard for ammunition and explosion. Korea, Seoul: Ministry of National Defense; 2019. 483 p.
Department Of Defense. Manual of DOD ammunition and explosives safety standards. USA, VA.: Department of Defense Explosive Safety Board; 2017. 63 p.
Lee HS, Zho Y. Status and issues for underground space development in singapore. Tunnel and Underground Space. 2018 Aug;28(4):304-24. https://doi.org/10.7474/TUS.2018.28.4.304
Ministry of National Defense. A study on the design and construction criteria for military underground ammunition facility. Korea, Seoul: Korea Military Academy, Hwarang-dae Research Institute; 2013. 360 p.
Ministry of National Defense. Study on criteria review regarding on request for underground ammunition construction. Korea, Seoul: Seoul National University of Science and Technology; 2019. 191 p.
Army Analysis Evaluation Group. Research results of optimization method for tunnel-type ammunition facility. Korea, Gyeryong: Army Analysis Evaluation Group; 2016. 27 p.
AASTP NATO. Manual of NATO Safety Principles for the Storage of Military Ammunition and Explosives. Ammunition Safety Group, NATO; 2010. 588 p.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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