[논문]현장 실측을 통한 장대터널 공사중 환기 문제점 연구

홍창수; 황대진; 강현욱

현장 실측을 통한 장대터널 공사중 환기 문제점 연구
A Study on the Improvement of Temporary Ventilation of long tunnel Using the Field Measurement data 원문보기

홍창수 (삼성건설 기술연구센터 기반기술연구소) , 황대진 (삼성건설 기술연구센터 기반기술연구소) , 강현욱 ((주)비엔텍아이엔씨)

In tunnelling, temporary ventilation is very important factor in the safety of worker and the work efficiency which is affected by visibility. There are a lot of problems in the recent tunnel construction, because the longer the tunnel, the more the present design doesn't satisfy the allowable standard about dust and air pollution. Especially, In case the length of tunnel is more than 1,000m, the ventilation efficiency tends to decrease. In this study, the field measurement of the degree of contamination was performed near the face of tunnel. Based on the results obtained, the main factors of problem in temporary ventilation are the difference of temperature between outside and inside, the rate of leakage of ventilation duct and the dust and so on. It maybe helpful to the solution of problems, and also the accurate ventilation estimate.

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문제 정의

본 연구에서는 공사중인 터널에 대한 실측을 통해 공사중 환기 현황 및 문제점을 파악하여 이에 대한 해결방안을 모색하였으며, 향후 보다 향상된 환기성능을 확보할 수 있는 시스템 확보에 기초자료로 활용하고자 한다.
본 연구에서는 국내 터널 공사중 환기현황 및 문제점을 파악하기 위해 고속철도 ○○터널 및 일반철도 ○○터널을 대상으로 2회씩 4차례에 걸쳐 오염농도 뿐만 아니라 기류속도 및 기류방향, 발파시의 공기유동, 축류송풍기 및 풍관에서의 압력손실 등을 측정하였다. 그 결과 한 막장 터널길이가 1km 부근부터 시작하여 그 이상으로 길어질수록 터널내 환경은 설계치와 큰 차이를 나타내었다.
본 연구에서는 설계치와 현장상황과의 차이를 규명하고 실제 현장에서의 문제점을 명확히 파악하기 위하여 4차례에 걸쳐 대단면의 고속철도터널과 일반철도터널을 대상으로 오염농도 뿐만 아니라 기류속도 및 기류방향, 발파시의 공기유동, 축류송풍기 및 풍관에서의 압력손실 등을 다양한 측정도구를 사용 하여 실측을 수행하였다. 현장실측은 2006년 고속철도터널인 ○○터널(L=13km)에 대하여 3회를 실시하였으며, 2007년 철도터널인 ○○터널(L=2.
본 연구에서는 현재 공사중인 터널에 대한 실측을 통해 현황 및 문제점을 파악하여 이에 대한 해결방 안을 모색하였으며, 이를 토대로 향후에는 보다 향상된 환기성능을 확보할 수 있는 공사중 터널환기 최적화 시스템을 개발하고자 한다.

제안 방법

계절별로 터널내 온도는 비교적 일정한 반면 터널외부온도차는 상당하기 때문에 온도차가 막장면 일산화탄소 농도에 미치는 영향을 알아보기 위해 7월(하절기)에 측정된 1차결과와 11월에 측정된 3차결 과를 비교해 보았다. 그 결과 그림 10과 같이 하절기에는 부력의 영향으로 막장내로 기류유입 발생하여 발파후 1시간 32분이 경과후에 허용기준을 만족시켰으며, 동절기에는 부력이 반대로 작용하여 환기에 도움이 되는 영향을 미쳐 발파후 43분 경과후에 허용기준을 만족시켰다.
본 연구에서는 설계치와 현장상황과의 차이를 규명하고 실제 현장에서의 문제점을 명확히 파악하기 위하여 4차례에 걸쳐 대단면의 고속철도터널과 일반철도터널을 대상으로 오염농도 뿐만 아니라 기류속도 및 기류방향, 발파시의 공기유동, 축류송풍기 및 풍관에서의 압력손실 등을 다양한 측정도구를 사용 하여 실측을 수행하였다. 현장실측은 2006년 고속철도터널인 ○○터널(L=13km)에 대하여 3회를 실시하였으며, 2007년 철도터널인 ○○터널(L=2.25km)에 대하여 1회를 실시하여 총 4회를 실시하였고, 각 터널은 1회 실측시 2번의 발파과정에 대하여 실측하였다.

성능/효과

특히 현장에서는 풍관의 재이용이나 혹은 작업차량으로 인한 풍관손상, 풍관연결부 등의 이유로 막장면 에서 풍속이 현격히 저하되었으며, 실제 풍관내 풍속 측정결과 덕트 말단에서 풍속은 약 5m/s로 설계 풍속인 12m/s의 절반정도 수준인 것으로 나타났다.
1) 계절별로 터널외부의 온도는 ±30℃이상 차이를 나타내는데 반해 터널내 온도는 비교적 온도를 유지하고 있음을 알 수 있었다.
1~3차 실측이 수행된 고속철도 ○○ 터널의 결과를 분석해 보면 하절기와 동절기의 막장부 온도편차는 최대 ±5℃ 미만으로 장대터널의 막장은 비교적 일정한 온도를 유지하고 있음을 알 수 있었다.
2) 터널 내외부 풍속측정 결과 외부 자연풍에 의한 환기저항도 터널내 오염물질 배출에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
3) 기존의 설계법에서 일괄적으로 선정하는 누풍율에 비하여 실제 현장에서의 측정치가 높은 것으로 나타났다. 현장에서는 풍관의 재이용이나 혹은 작업차량으로 인한 풍관손상, 풍관연결부 결함 등의 이유로 덕트말단 풍속이 현격히 저하되었으며, 실제 풍관내 풍속 측정결과 덕트 말단에서 풍속은 약 5m/s로 설계풍속인 12m/s의 절반정도 수준인 것으로 나타났다.
5km 이상되는 지점으로 기존설계 성능을 초과하여 분진으로 인해 터널내 전반적인 가시도가 현저히 저하되어 있었다. 갱구부로부터 약 1km 떨어진 지점부터 터널내 환경이 악화되었으며, 특히 분진과 오염가스가 다시 재유입되는 현상도 발생되었다. 이에 대한 원인으로는 크게 기존의 설계법이 고려하지 못하는 부력 등의 인자가 추가로 있는 것 외에도 기존의 설계법에서 일괄적으로 선정하는 누풍율 및 조도계수 등이 실제와 다를 수 있는 점을 들 수 있다.
본 연구에서는 국내 터널 공사중 환기현황 및 문제점을 파악하기 위해 고속철도 ○○터널 및 일반철도 ○○터널을 대상으로 2회씩 4차례에 걸쳐 오염농도 뿐만 아니라 기류속도 및 기류방향, 발파시의 공기유동, 축류송풍기 및 풍관에서의 압력손실 등을 측정하였다. 그 결과 한 막장 터널길이가 1km 부근부터 시작하여 그 이상으로 길어질수록 터널내 환경은 설계치와 큰 차이를 나타내었다. 터널 연장이 길어질수록 압력손실에 의하여 기류속도는 하락하였으며, 공급되는 신선공기는 막장인근의 공기에 대한 희석효과정도에 그치는 경우가 발생되어 막장부근을 제외한 나머지 부근에서는 오염농도가 허용기준을 초과하는 경우가 발생되었으며, 가시도가 현저히 떨어지는 것으로 나타났다.
3m/s를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 또한 측정위치에서 발파시 순간적인 유속상승은 없었고, 작업차량의 터널내 왕래가 빈번하였음을 알 수 있었다. 이를 통해 기류속도는 설계시 감안하지 못하는 터널 내외부의 온도차와 작업차 량에 의해 영향을 받음을 알 수 있었다.
즉 하절기에는 급기식 적용시 부력영향에 대한 추가적인 고려가 필요한 것으로 판단된다. 발파이후 4시간 동안 터널내 평균기류속도는 하절기에서는 0.028m/s, 동절기에서는 0.134m/s로 나타나 측정시기나 위치에 상관없이 터널내 기준유속인 0.3m/s를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 또한 측정위치에서 발파시 순간적인 유속상승은 없었고, 작업차량의 터널내 왕래가 빈번하였음을 알 수 있었다.
본 연구에서 측정한 위치는 모두 갱구부로부터 1.5km 이상되는 지점으로 기존설계 성능을 초과하여 분진으로 인해 터널내 전반적인 가시도가 현저히 저하되어 있었다. 갱구부로부터 약 1km 떨어진 지점부터 터널내 환경이 악화되었으며, 특히 분진과 오염가스가 다시 재유입되는 현상도 발생되었다.
위에서 언급한 바와 같이 작업장 환경기준 중 일산화탄소의 허용기준은 20분 이내 50ppm 이하이나, 그림 9와 같이 막장면에서 100m 이격된 ①지점(그림 8의 (a)참조)에서는 발파후 1시간 32분이 경과된 이후에 허용기준을 만족시켰으며, 막장면에서 200m 이격된 ④지점에서는 발파후 1시간 42분이 경과된 이후에 기준을 만족하는 것으로 나타나 설계와 현장과의 괴리가 발생하는 것으로 나타났다. 또한 ①지점에서 최대농도는 338.
발파 직후에 농도 급격히 증가하였던 CO와 달리 NO₂는 발파 이후에도 발파가스로 인한 영향이 없었으나, 작업차량(로다, 덤프트럭, 등)에 의한 영향이 더욱 큰 것으로 예상할 수 있었다. 일산화질소(NO)의 최대농도는 그림 12와 같이 0.3ppm 으로 나타나 허용기준인 25ppm을 충분히 만족하는 것으로 나타났다.
그 결과 그림 10과 같이 하절기에는 부력의 영향으로 막장내로 기류유입 발생하여 발파후 1시간 32분이 경과후에 허용기준을 만족시켰으며, 동절기에는 부력이 반대로 작용하여 환기에 도움이 되는 영향을 미쳐 발파후 43분 경과후에 허용기준을 만족시켰다. 즉 환기상태는 하절기에 비해 동절기가 양호한 것으로 나타났다.
그 결과 한 막장 터널길이가 1km 부근부터 시작하여 그 이상으로 길어질수록 터널내 환경은 설계치와 큰 차이를 나타내었다. 터널 연장이 길어질수록 압력손실에 의하여 기류속도는 하락하였으며, 공급되는 신선공기는 막장인근의 공기에 대한 희석효과정도에 그치는 경우가 발생되어 막장부근을 제외한 나머지 부근에서는 오염농도가 허용기준을 초과하는 경우가 발생되었으며, 가시도가 현저히 떨어지는 것으로 나타났다.
3) 기존의 설계법에서 일괄적으로 선정하는 누풍율에 비하여 실제 현장에서의 측정치가 높은 것으로 나타났다. 현장에서는 풍관의 재이용이나 혹은 작업차량으로 인한 풍관손상, 풍관연결부 결함 등의 이유로 덕트말단 풍속이 현격히 저하되었으며, 실제 풍관내 풍속 측정결과 덕트 말단에서 풍속은 약 5m/s로 설계풍속인 12m/s의 절반정도 수준인 것으로 나타났다.

후속연구

4) 터널연장이 길어질수록 버력처리를 위한 작업시 발생되는 분진은 급기식을 이용한 희석방법만으로는 한계가 발생하여 터널 중간부에서의 가시도가 현저히 감소하여 공정지연의 원인이 될 수가 있으므로 현 설계방법으로는 고려하지 못하는 분진발생 저감대책이 반드시 필요하다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

환기대상이 되는 유해물질에는 무엇이 있나?

터널작업에서 발생하는 유해물질은 그 발생 형태나 유해한 작용도 여러 가지로 나타나나, 환기대상이 되는 유해물질로는 일산화탄소(CO), 이산화탄소 (CO2), 질소산화물 (NOx), 황화수소 (H2S), 메탄가스 (CH4), 아황산가스 (SO2)이며, 허용기준으로는 국내 작업장 환경기준 지표로서 노동부에서 고시한 제 2002-8호의 “작업자의 화학물질과 분진에 대한 노출기준”을 따르고 있다.

공사중 환기란 무엇인가?

공사중 환기란 작업중인 터널의 작업환경 개선을 위하여 작업자에게 신선한 공기를 공급하고 가동중인 공사장비로부터 배출되는 유해가스 등을 터널 외부로 배기할 수 있는 환기설비 시스템으로써 특히 발파공법을 이용한 NATM굴착시 발파 후 발생한 유해가스 배출을 고려한 환기설비 계획이 필요하다.

건설교통부의 터널설계기준을 참조하여 만든 공사중 환기시설의 문제점은?

그동안 공사중 환기시설은 임시시설로 대개는 경안시되어 형식적으로 시행되었으며, 발생가스나 누풍율 등 기준에 대한 근거는 명확하지 않으며 다만 건설교통부의 터널설계기준을 참조로 하여 실시되었다. 하지만 이는 연장이 짧은 터널을 근거로 하여 만들어진 것으로서 연장이 장대화 될수록 현실과는 맞지 않는 문제점을 내포하고 있다. 특히 한 막장 길이가 1km를 초과하는 구간에 대해서는 환기효율이 저하되어 많은 어려움이 발생하고 있으나, 현재의 설계방법으로는 이에 대한 해결방안이 미흡한 실정이다.

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