터널의 수동식 화재 방호

터널 내 수동식 화재 방호 소개

수동 방화는 화재 공학 분야에서 구조물의 안전과 무결성을 보장하는 데 있어 핵심적인 개념이며, 특히 터널과 같이 까다로운 환경에서 더욱 그러합니다.

수동 방화는 화재를 진압하고 확산을 제한하며, 거주자에게 안전한 대피 경로를 제공하기 위해 고안된 다양한 조치를 포괄합니다.

환기, 스프링클러, 경보 장치와 같은 능동 방화 시스템과는 달리, 수동 방화는 본질적으로 내화성을 지닌 요소들로 구성되어 있으며, 효과적인 작동을 위해 별도의 작동이 필요하지 않습니다.

터널 화재 방호 및 안전

터널은 화재 안전 측면에서 여러 가지 고유한 문제점을 안고 있습니다. 밀폐된 공간, 제한된 환기, 그리고 빠른 연기 확산 가능성은 인명과 주요 기반 시설에 심각한 위험을 초래합니다.

화재 발생 시, 인명 손실, 재산 피해, 교통망 마비 등 막대한 피해를 야기할 수 있습니다. 따라서 터널 환경에 특화된 강력한 수동적 화재 방호 대책의 중요성이 더욱 강조됩니다.

터널 수동적 화재 방호의 핵심 요소는 콘크리트, 강철, 특수 방화판과 같은 내화 재료와 구획화 및 구조적 안정성 확보 조치입니다. 이러한 터널 화재 방호 시스템 요소들은 함께 작용하여 화재와 연기를 차단하는 장벽을 형성하고, 터널 전체로의 확산을 막으며 안전한 대피 경로를 확보합니다.

이러한 요소들 중에서도 방화판은 터널 화재 안전을 강화하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 방화판은 고온을 견딜 수 있도록 특수 설계되었으며, 복사열, 화염, 연기를 차단하는 역할을 합니다. 일반적으로 시멘트계 화합물과 같은 재료로 만들어지는 방화판은 단열성, 내구성, 간편한 설치를 모두 갖추고 있어 터널 환경에 매우 적합합니다.

다음 블로그 게시물에서는 터널의 수동적 화재 방호에 대해 자세히 살펴보고, 특히 방화판의 역할에 중점을 둘 것입니다. 다양한 유형의 방화판, 설치 및 유지 관리 요구 사항, 시험 및 인증 표준, 그리고 화재 발생 시 방화판의 효과를 보여주는 실제 사례 연구를 살펴볼 것입니다.

터널 화재 방호의 원리와 적용 사례를 이해함으로써 우리는 모두를 위해 더욱 안전하고 탄력적인 터널 인프라를 구축할 수 있습니다.

터널 화재 방호 시스템이 왜 필요할까요?

터널 화재 방호 시스템은 고온을 차단하고 터널 구조물의 붕괴를 방지하는 중요한 방어선 역할을 합니다. 또한, 이를 통해 터널 이용객들이 대피하고 구조대가 도착할 수 있는 귀중한 시간을 확보할 수 있습니다. 특히 터널 화재 발생 시 발생하는 엄청난 열 때문에 그 중요성은 더욱 커집니다.

대규모 터널 화재 연구 결과에 따르면, 대형 화물차(HGV)는 250메가와트(MW) 이상의 열 방출률(HRR)을 발생시켜 터널 내부 온도를 급격히 상승시킬 수 있습니다.

스웨덴 SP 기술연구소는 루네하마르 터널 화재 시험이라는 주목할 만한 대규모 화재 시험을 수행했습니다.

이 화재 시험의 요약 영상은 여기에서 확인할 수 있습니다.

룬하마르 시험 보고서는 열 방출률, 가스 온도, 화염 길이, 복사열, 환기 등과 같은 매개변수를 조사합니다. 또한 이러한 매개변수를 예측하는 이론적 모델도 포함되어 있습니다. 이 보고서는 터널 화재 안전 관련 업무를 담당하는 엔지니어에게 유용할 수 있습니다.

이는 매우 중요한데, 터널 내벽에 흔히 사용되는 콘크리트는 약 300~400°C에서 박리(균열 및 파편 발생)가 시작되고, 더 높은 온도에서는 용융될 수 있기 때문입니다. 콘크리트 박리, 특히 폭발적 박리는 터널 구조물에 심각한 위험을 초래합니다.

터널 시공업체는 일반적으로 투수성이 낮은 고밀도 고급 콘크리트를 사용합니다. 이러한 특성으로 인해 콘크리트의 기공은 수분을 쉽게 흡수합니다. 화재가 발생하면 열로 인해 수분이 증발하면서 콘크리트 기공 내부의 압력이 증가합니다. 이러한 현상을 콘크리트 박리라고 합니다.

터널 화재 방지 시스템이 마련되어 있지 않으면 터널 화재가 빠르게 확산되어 콘크리트가 과열되고 구조적 안전성이 손상될 수 있습니다. 내화 자재와 구획화 전략을 적용한 수동식 화재 방호 시스템은 비상 상황 발생 시 터널의 안전을 보장합니다. 나아가 화재 발생 후에도 안전성이 유지됩니다.

터널 화재의 간략한 역사

몽블랑 터널 화재: 역사에 새겨진 비극 (1999)

1999년 프랑스와 이탈리아를 연결하는 알프스 산맥의 터널을 휩쓴 몽블랑 터널 화재는 터널 화재가 얼마나 참혹한 결과를 초래할 수 있는지를 보여주는 끔찍한 사례입니다. 트럭 브레이크의 결함으로 발생한 불꽃이 순식간에 차량을 집어삼키며 최대 300메가와트(MW)가 넘는 열 방출량을 발생시켰습니다. 맹렬한 열기는 소방대원들을 압도했고, 불길은 빠르게 확산되어 39명의 목숨을 앗아갔습니다.

이 참사는 터널 안전 규정의 취약점을 드러냈고, 더 엄격한 규제와 화재 예방 조치에 대한 새로운 관심을 불러일으켰습니다.

다음 다큐멘터리는 몽블랑 터널 화재의 참혹한 사건에 대한 자세한 정보를 제공합니다.

채널 터널 화재: 아찔한 순간 (1996)

1996년 채널 터널 화재는 몽블랑 화재만큼 참혹하지는 않았지만, 경각심을 일깨워주는 사례입니다. 유로터널 셔틀 열차에 차량과 승객이 탑승한 상태에서 화재가 발생했습니다. 다행히 신속한 대응과 터널 내부의 견고한 방화 설비 덕분에 화재는 진압되었고 모든 승객은 안전하게 대피했습니다. 그러나 이 사건은 터널 내에서 발생하는 작은 화재조차도 얼마나 위험한지, 그리고 효과적인 구획화와 환기 시스템의 중요성을 강조했습니다. 이 화재의 최대 열방출률(HRR)은 약 100MW로 추정되는데, 이는 신속한 대응과 방화 자재 사용 덕분에 몽블랑 화재보다 훨씬 낮은 수치입니다.

리키 카벨 박사는 이 화재 발생 당시의 화재 역학에 대한 강연을 진행했습니다.

이 두 비극적인 사건은 터널 안전 개선을 위한 촉매제가 되었습니다.

터널 화재 곡선

효과적인 화재 안전 대책을 설계하기 위해 엔지니어들은 화재 곡선, 즉 화재 상황에서 시간에 따른 예상 온도 상승을 나타내는 수학적 모델에 의존합니다.

터널 화재 곡선 – 출처: aestuver.com

최고 온도와 시간 측면에서 가장 빠르게 확산되는 화재는 RWS 화재 곡선으로 나타낼 수 있습니다.

화재 발생 후 60분 이내에 최고 온도가 1350°C에 달하는 RWS 화재 곡선은 터널 내 화재 위험을 가장 극한으로 보여주는 모델입니다.

이 설계 화재 곡선은 50m³의 연료를 운반하는 유조차와 같은 대형 화물 차량을 가정하여 만들어졌으며, 최대 120분 동안 지속되는 300MW의 화재 부하를 예상할 수 있습니다.

앞서 언급한 룬하마르 시험은 RWS 화재 곡선의 세부 사항을 검증했습니다.

전 세계 수많은 엔지니어와 설계자들이 터널의 수동 화재 방호 요구사항을 명시하는 기준으로 RWS 화재 곡선을 활용하고 있습니다.

터널 화재 방호 시스템에는 어떤 해결책이 있을까요?

터널 건설 업계에서는 터널의 수동적 화재 방호를 위해 크게 세 가지 해결책을 인정하고 있습니다. 이러한 해결책들은 개별적으로 사용되기도 하지만, 두 가지 이상의 해결책을 조합하여 적용하는 경우도 있습니다.

방화판

방화판은 방화 패널, 단열 장벽 또는 단열 클래딩이라고도 하며, 터널 벽과 천장에 적용되는 특수 설계 및 테스트를 거친 판재를 의미합니다. 예를 들어 ‘Aestuver Tx’ 터널 방화판은 극한의 터널 환경에 대한 테스트를 거친 시멘트계 재질입니다.

시공업체는 터널 방화판을 두 가지 방식으로 설치합니다.

첫 번째는 가장 일반적인 후고정 시스템입니다. 이 시스템에서는 터널 구조물이 완성된 후, 시공업체가 기계식 앵커를 사용하여 콘크리트 벽과 천장에 방화판을 고정합니다. 이 방식은 직사각형 단면의 터널과 TBM 터널에 적합합니다. 원형 단면의 터널의 경우, 방화판은 터널의 곡률 반경을 따라 면을 맞춰 설치합니다.

Aestuver Tx 방화판 설치 – 신용 Täby BrandskyddsTeknik AB 출처: https://www.tunnel-online.info/en/artikel/tunnel_Cement-based_glass_fibre-reinforced_Tunnel_Fire_Protection_Boards-3076804.html

두 번째 방법은 터널 방화판을 영구 거푸집 시스템 또는 현장 타설 방식으로 사용하는 것입니다. 이 방식에서는 시공자가 터널 방화판을 터널 거푸집 위에 설치합니다. 대부분의 경우 추가적인 기계적 고정 장치가 필요하지 않습니다.

영구 거푸집 시스템은 주로 개착식 터널에 적합합니다. 또한 침매 터널의 경우 조립식 터널 세그먼트에도 매우 효과적입니다.

현재까지 현장 타설 콘크리트 시공 방법은 굴착 터널에는 사용할 수 없습니다. 그럼에도 불구하고 시공업체는 위에서 설명한 후고정 방식을 사용하여 TBM 터널에 단열재를 시공합니다.

이 웹사이트에서는 터널 단열 패널의 다양한 측면에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

터널 방화판 시스템 설치 비용은 얼마나 될까요?

터널 방화판 사용의 경제적 측면을 분석한 STUVA 연구 보고서를 다른 게시글에서 자세히 살펴보실 수 있습니다.

이 연구는 방화판이 없는 터널과 있는 터널의 운영 비용을 비교합니다.

분사식 방화 모르타르

시공업체들이 사용하는 또 다른 자재는 분사식 모르타르입니다. 건식 혼합 성분을 물과 혼합하여 기계를 통해 터널 벽면에 분사합니다. 분사식 시스템은 보강망 설치 및 표면 미장 작업이 필요할 수도 있습니다.

협력 시공업체들의 경험에 따르면, 터널용 분사식 방화 시스템은 터널 방화판보다 시공 및 관리가 더 어려운 경우가 많습니다.

폴리프로필렌(PP) 섬유

터널 시공업체는 터널 구조물의 콘크리트 혼합물에 PP 섬유를 첨가할 수 있습니다. 섬유의 크기와 양은 혼합물의 요구 사항과 성능 기준에 따라 달라집니다. 화재 발생 시 PP 섬유는 약 160~180°C에서 녹기 시작합니다. 또한 녹으면서 미세 균열이 발생하여 수증기가 팽창할 수 있는 공간을 만들어 콘크리트 내부의 압력을 완화합니다. 이러한 과정은 콘크리트 박리를 방지합니다.

그러나 화재 발생 후 녹은 PP 섬유층을 제거하고 보수해야 합니다. 이는 물류 및 기술적 어려움을 야기합니다. 터널 운영자는 터널을 며칠 동안 폐쇄해야 할 수도 있습니다. 반면 방화판은 화재로 손상된 경우 한 번의 작업 교대 시간 내에 쉽게 교체할 수 있습니다.