도로 터널은 산지가 많은 국내의 지형적 특성 및 산업 발전에 따른 교통 편리성, 도심지 교통체증 완화, 지상 녹지 공간 확보 등의 필요성에 의해 매년 증가하고 있으며, 특히 최근에는 대심도 및 장대터널이 다수 건설되고 있다. 그림 1에서 보는 바와 같이 최근 10년간의 도로터널 변화 추이만 보더라도 2012년 1,578개소(전체연장 1,149㎞)에서 2021년 3,645개소(전체연장 2,452㎞)로 매년 평균 8.85%(연장 10.06%)로 증가하고 있으며, 2021년에 가장 많이 증가하는 모습을 보여주고 있다. 이는 터널 장대화 영향으로 개소수가 13.68% 증가된 반면 연장은 32.97%로 두 배 이상의 증가율이 나타나고 있음으로 설명 될 수 있다. 이중 장대 터널(일반적으로 연장 3km이상의 터널을 지칭함)은 총 39개소로 연장이 가장 긴 터널은 고속국도 중 인제-양양터널(10.965㎞)이며, 일반국도에서는 최근 서울특별시내에 개통된 서부간선지하도로(9.363㎞)가 대표적이다. 해저터널도 최근에 개통된 보령해저터널 포함 총 3개소가 운영되고 있다. 특히 최근 발표(`22.02.)된「제2차 고속도로 건설계획(2021∼2025)」 중점사업 3개노선(인천∼서울, 화성∼서울, 퇴계원∼판교) 모두 연장 20km 내외로 추진되고 있으며, 현재 진행 중인 사상∼해운대 고속도로 민간투자사업 구간도 연장이 22.8km에 달하는 것으로 알려지고 있다.
이러한 초장대, 대심도의 도로터널은 교통량 및 이용자가 매우 많을 것으로 예상되고 폐쇄된 공간구조를 갖는 구조물이므로 특별한 조건을 고려한 이용자 안전 확보 시설과 설비 강화가 필요하다. 예건대 터널이라는 폐쇄된 공간 구조 내에서의 화재발생은 막대한 인명피해 및 재산피해를 야기함을 선례를 통하여 경험하였다. 그림 2는 대표적인 도로터널에서의 대형 화재사고 사례를 보여주고 있으며, 화재사고에 따른 피해를 간략히 요약하면 다음과 같다.
이렇듯 막대한 인명과 재산 피해를 야기할 수 있는 터널에서의 화재에 대응하고, 이용자의 안전 확보 위한 화재 대응체계뿐만 아니라 화재발생 요인을 사전에 제어‧차단 및 모니터링할 수 있는 화재안전 관련 기술은 새로운 신공간 창출이라는 거시적인 관점에서도 매우 중요한 요소 기술로 평가되고 있다.
‘전기동력’과 ‘자율주행’은 최근 EU와 미국등 국내외의 모든 자동차업계의 핵심단어로 여겨지고 있다. 이는 미래차 산업을 선도함으로써 관련 제조업 및 서비스산업에서 투자와 고용을 창출하고 이를 국가 성장동력으로 삼고자 하는 선진국들의 전략에 기인한다. 또한, 미국을 제외한 주요 국가들이 파리 기후협정을 지지하고 있어 각자 계획한 에너지 효율 제고 및 공해배출물질 감축 목표의 달성을 위해 자동차의 이산화탄소 배출량을 적극적으로 줄이고자 노력하고 있다. 이와 같은 이산화탄소 배출량 저감 노력은 곧 기존 화석연료기반 내연기관 차량에서 친환경 전기동력 차량(Electric Vehicles, EVs)으로의 전환을 의미하며, 각국은 제도개선을 통하여 2030년, 늦어도 2040년까지 내연기관 자동차의 종말을 모색하고 있다. 이러한 전기동력 친환경 차량(EVs)은 크게 Battery Electric Vehicle (BEV), Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV), Hybrid Electric Vehicles (HEV), Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV)로 세분화할 수 있으며, 현재 상용화된 친환경자동차는 에너지원 및 충전방식에 따라 아래와 같이 ①하이브리드 ② 플러그인하이브리드 ③ 배터리전기차 ④ 수소연료전지차로 구분할 수 있다.
우리나라도 국토교통부 보도자료에 의하면 정부에서 추진 중인 ‘2050 탄소중립’ 정책의 실현을 위해 ‘제4차 친환경자동차 기본 계획’ 등 친환경차 확산전략과 함께 ‘국가 온실가스 감축목표(NDC) 상향안’을 확정하면서 2030년까지 전기·수소차 450만대를 보급할 것으로 발표 되었다. 전기·수소차가 본격적으로 보급되기 시작한 2014년도(수소차는 2017년)부터 현재까지 해마다 지속적으로 보급이 증가하고 있는 추세이며, 정부의 정책적 전략을 기반으로하여 2019년도를 기준으로 보다 급격하게 비중이 상승하고 있다. 특히 표 1과 그림 3에서 보는 바와 같이, 2022년 3분기 기준 국내의 자동차 전체 누적등록 대수는 2,535만대이며, 친환경차(전기·수소 및 하이브리드차량 포함)는 147.8만대로 전체 자동차 중 5.8%의 비중을 차지하고 있으며, 집계된 통계의 수치만으로 보급률을 비교해 보면 최근 5년간 전기차는 14배, 수소차는 157배 상승하였으며, 이러한 추세는 향후 일정 기간 지속될 것으로 예상되고 있다.
일반적으로 터널과 같이 밀폐구조를 가지는 지하공간의 화재위험특성을 구분하면 공간 형태적 측면, 화재성상 및 피난측면, 소방활동 측면, 연소 특성 등 4가지로 구분할 수 있다. 공간 형태적 측면의 특성은 지상으로의 출입구 용량이 적고 한정되며, 지상에서 내부의 상황을 파악하기 어렵고, 지하공간에서 지상의 상황을 파악하기 어렵다는 점이다. 또한 내부 통로가 미로 구조가 되기 쉽고, 자신의 위치나 방향을 인식하기 어려워 비상시 적절한 대응이 이루어지지 않는다. 특히 화재 시 유독가스의 축적이 상대적으로 쉬운 구조로써 공간의 상단부에서는 외기와 통하고 하단부에서는 외기와의 접촉이 없기 때문에 공간 내부 전체에서 큰 순환류가 발생하는 경우가 종종 발생한다. 두 번째 화재성상 및 피난측면의 특성은 외기의 공급이 한정되기 때문에 불완전 연소나 훈소상태의 화재가 되어 대량의 연기나 유독가스를 발생시킬 가능성이 크다. 또한 지하공간의 용적이 작고 외부로 배출되기 어렵기 때문에 연기 및 열기가 급속도로 충만하여 위험성이 매우 높으며 대부분 무창, 밀실이므로 정전 등에 의한 방향감각의 상실 등을 포함한 심리적 동요에 의해 패닉 가능성이 높다. 세 번째 소방활동 측면의 특성은 소방대가 내부의 상황파악이 불가능하게 될 가능성이 높고, 출입구가 적어 소방대의 진입로가 제약된다. 특히 소방대가 화염이나 연기의 확산방향(주로 진입로 방향)으로 진입해야만 하는 어려움이 발생하므로 소방대원의 장비가 중장비가 되어 소방활동에 제약이 발생함에 따라 소방대원의 체력 소모 역시 커지는 문제가 동반된다. 마지막으로 연소적인 특성은 발화초기에는 지상에서의 연소와 유사한 양상을 보이지만, 화재가 지속됨에 따라 공기의 공급부족으로 불완전연소가 되어 다량의 연기 및 유해가스가 발생하며, 밀폐공간의 특성상 대기 중으로의 연기와 열의 방사가 적고, 장시간 농연과 열기가 축적되는 특성을 나타낸다.
이에 더하여 친환경 차량은 화재시 고려해야할 추가적인 요인이 요구된다. 수차례의 전기차 화재 선례 및 ESS 화재에서 확인되는 바와 같이 배터리 저장장치에서의 열폭주에 의한 급격한 화재 성상은 물론이고 수소차의 경우 만약에 사태를 대비하기 위한 폭발 위험성이 그것이다. 특히 수소는 자체적으로 가지는 물성의 특성으로 인해 기존 탄소 에너지에 비해 더 큰 규모의 화재·폭발 위험성을 안고 있다는 것이다. 일반적으로 알려진 수소의 특성은 발열량이 석유보다 약 3배가량 높고, 공기 중에서의 연소(폭발)한계 범위가 4∼75%로 매우 넓으며, 무색/무취/무미/무독성의 기체로 가장 작고, 무게는 공기에 비해 14배나 가벼워 대기에 방출될 경우 약 20 m/s의 빠른 속도로 확산되는 특성을 가지며, 최저 점화 에너지가 0.02 MJ로 매우 낮아 쉽게 화재나 폭발로 이어질 수 있는 것으로 알려져 있다. 현재 국내에 지배적으로 보급되어 있는 수소차는 약 50 L 용량의 고압용기 3개가 장착되어 운행되며, 700 bar의 충전압으로 완충되어 약 5∼6 kg의 수소가 용기에 충진되어 운행되고 있다. 수소차에 의한 위험은 요인별로 사고 시 수소의 누출, 누출된 수소에 의한 제트화염, 그리고 가장 최악의 경우인 폭발 등으로 구분할 수 있다. 따라서, 도로터널과 같은 밀폐공간에서 친환경차량의 화재사고가 발생할 경우 공간형태, 사고 차종 주변 차량 상황, 수고의 누출·제트화염·수소폭발 등 세분화된 시나리오를 작성하여 이에 따른 화재안전 설비 계획 및 소방대응 전략이 수립되어야 한다.
전술한 바와 같이 터널에서 친환경차량의 사고시 수소차의 사고로 인한 수소 누출은 최악의 상황을 초래할 수 있다. 환기가 되지 않을 경우 연소 하한 이상으로 수소 농도가 상승하여 위험한 상태 조성할 수 있다. 다시 말해 가연범위가 4~75%로 타 연료에 비해서 넓고, 점화에너지가 매우 작은 수소의 특성상 화재나 폭발이 발생하기 때문이다. 특히 비상시 수소용기의 폭발 위험을 없애기 위해 수소탱크에 설치되어 있는 TPRD(Thermally-activated Pressure Relief Device)는 화재와 같은 비상상황이 터널에서 발생할 경우 자동으로 밸브가 열려 고압의 수소를 방출하게 되며 이때 방출된 고압의 수소에 의해 제트화염이 발생될 위험이 있다. 이로 인해 주변 차량으로의 화재 확대는 물론이고, 터널 구조물의 심각한 손상과 이용자 및 소방인력에 대한 2차 사고까지 야기될 수 있다.
이를 위하여 그림 4.와 같이 실험장치를 구성하여 제트화염 발생 및 구조체와 열유속계를 설치하여 실증 실험을 수행하였다. 실험은 친환경차량의 제트화염을 모사하기 위해 고압수소탱크(용량 600L)에 일반 수소차 충전조건과 동일한 압력 700bar로 충진한 후 직경 1.8 mm의 노즐을 통해 일정 간격으로 이격되어 있는 터널 내화시험체를 향해 분사시켰으며, 이때 분사노즐과 터널 내화시험체 주변에 형성되는 열 분포 및 제트화염 형상 그리고 구조체가 받는 영향 등을 분석하였다. 다만, 고압 가스에 의해 유도되는 제트화염에 대한 내화대책에 대해 ISO 22899-1에서 시험법을 규정(ISO 22899-1, 2021)하고 있으나 본 연구에서는 기존 터널의 구조체에 대한 수소제트화염 영향을 분석하기 위한 목적으로 독자적인 실험방법을 수립하여 실험을 진행하였다.
실험변수는 분사노즐과 터널내화 시험체의 이격거리로 설정하여, 각각 2m와 4m의 거리를 유지하여 손상정도를 파악하고자 하였으며, 각 실험은 고압 수소탱크로부터 수소가 분사되기 전 분사노즐 직 후단에 설치되어 있는 점화장치에 화원을 점화한 후 수소 분사시작과 동시에 제트화염이 발생되게 하였다. 제트화염이 분사되는 동안 열유속계(시험체 주변) 및 열전대(터널 내화 시험체 내부), 일반카메라와 열화상카메라 등을 이용하여 데이터를 측정하였으며, 제트화염 주위의 복사열 영향을 보기 위해 열유속계도 8곳에 설치하였다.
실험에 사용한 터널 내화시험체는 「도로터널 내화 지침(국토교통부, 2021)」에 명시된 시험체 제작 기준을 준용하여 제작하였다. 다만, 본 실험에서는 내화설계 적용이 되지 않은 일반 터널 콘크리트 벽체의 영향을 분석하기 위해 시험체에 내화처리(뿜칠, 내화재 부착, 자체내화 등 내화공법)는 하지 않았다. 또한 일반적으로 터널에 적용하는 설계강도 40MPa (철근 13mm, 항복강도 400MPa)로 설계하여 타설하였으며, 제작된 실험체에서의 강도는 38.7MPa로 측정되었다. 이렇게 제작된 실험체의 화염노출면적은 1,800mm x 1,800mm이며, 두께는 250mm. 이다.
제트화염을 맞는 터널 내화시험체의 내부온도 측정을 위한 열전대를 시험체의 중심으로부터 수평/수직 방향으로 400mm간격으로 9개 지점에 총 15개가 매입되었으며, 매입 깊이는 가열표면으로부터 25±2 mm 위치(2, 4, 6, 8)에 4개, 50±2 mm의 위치(1, 3, 7, 9)에 4개, 철근 밑면 75±2 mm 위치(2, 4, 5, 6, 8)에 5개, 100±2 mm의 위치(3, 7)에 2개의 열전대를 설치하였다. 데이터 측정은 Y사의 M모델 데이터로거를 사용하였으며, 초당 1개의 데이터를 기록하도로 설정하여 분석하였다. 또한, 실험 시 발생되는 제트화염의 형상은 일반 카메라와 열화상카메라를 노즐중심부의 수직방향으로 약 15m 거리에 설치하여 촬영하여 그 결과를 분석하였다.
그림 5와 6은 제트 화염 실험 및 구조체의 열적 손상결과를 요약하여 보여 주고 있다. Case1의 터널 내화 시험체 내부의 온도변화를 보면 표면으로부터 깊이 25mm에 설치된 열전대(TC2-1, TC4-1, TC6-1, TC8-1)에서 확연하게 온도가 상승하는 것을 볼 수 있으며, 최대 온도는 좌측 중간에 위치한 TC4-1에서 1349.9℃가 발생되었다. 이는 콘크리트 부재의 표면 기준으로 한계온도를 380℃이내로 규정하고 있는 국내 규정「도로터널 내화 지침(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2021)」의 기준을 초과하는 것으로 분석되었다. 반면 Case 2의 결과를 보면 Case1과는 확연한 차이를 보여서 열전대를 설치한 15곳에 평균적으로 70℃이하의 온도 분포를 보이고 있으며, 도로터널 내화지침의 기준 범위를 만족하고 있어 손상이 거의 없는 것으로 판단되었다. 또한 터널 내화 시험체 내부 온도 상승에 따른 콘크리트 및 강의 강도 잔존율을 분석하였다. 그림 7에서 보이는 바와 같이 ACI 216(ACI 216, 1998)에서 보고하고 있는 부재 강도 변화 선도를 이용하여 터널 내화 시험체 내부 깊이 25mm와 50mm에서의 온도 상승에 따른 감소된 강도 잔존율을 추정해 볼 수 있다. 그 결과 콘크리트 압축강도 변화 그래프 상에서 Case1의 25mm 깊이에서 발생되는 온도 범위 498.3~1,349.9℃를 기준으로 보면 콘크리트 강도 잔존율은 약 0~50% 정도로 평가할 수 있다.
제트 화염 발생시 유도되는 열 영향을 분석하기 위해 그림 8과 같이 구역을 구분하여 위험구역을 분석하였다.
Case 1의 경우 열유속계를 거리별 3열로 배치하였는데, 그림 9에서 보이는 바와 같이 모든 열에서 터널 내화 시험체에 가까운 위치에서 최대 복사열이 발생되었다. 또한 전체 분포에서는 제트화염의 중심선으로부터 2m 떨어진 1열 중 시험체에 가장 인접한 위치인 CH3에서 최댓값 39.16kW/㎡이 발생하는 것으로 확인되었다. 또한, 1열 중 시험체와의 이격 거리가 늘어남에 따라 CH2에서 18.95kW/㎡ (CH3 대비 51.6% 감쇠), CH1에서 10.34kW/㎡ (CH3 대비 73.6% 감쇠)로 급격히 감소하는 것을 볼 수 있으며, 이러한 결과는 2열과 3열에서도 유사한 경향으로 나타나고 있다. 제트 화염의 수직방향으로의 복사열 분포를 보면, 제트 화염과 가까운 CH3 39.16 kW/㎡, CH2 18.95 kW/㎡, CH1 10.34 kW/㎡에서 각 최댓값이 발생하였다. 다만, Ch8(11.48 kW/㎡)에서 CH5(8.88 kW/㎡)보다 약 2.6kW/㎡ 정도 더 높은 복사열이 발생되는데, 이것은 시험체를 타격하고 반사되는 제트화염이 시험체 벽면을 따라 넓게 퍼져 나가는 형태를 띠어서 나타나는 현상이라 판단되었다.
그림 10은 Case2에서 발생되는 복사열 분포를 도시하였다. Case 1과는 달리 노즐과 시험체의 이격거리가 늘어남에 따라 열유속계 배치를 2열 5행으로 변경하였으며, 앞 선 결과와 같이 모든 열에서 터널 내화 시험체에 가까운 위치에서 최대 복사열이 발생하였다. 전체 분포에서는 1열 중 시험체에서 가장 가까운 위치인 CH5에서 최댓값 24.00 kW/㎡ 이 기록되었으며, 같은 열 내에서 복사열을 비교하면 측정위치가 시험체와의 거리가 멀어짐에 따라 CH4에서 16.00kW/㎡ (CH5 대비 33% 감쇠), CH3에서 6.02kW/㎡ (CH5 대비 75% 감쇠), CH2에서 2.53kW/㎡ (CH5 대비 89% 감쇠), CH1에서 1.52kW/㎡ (CH5 대비 94% 감쇠)로 급격히 감소하는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과는 2열에서도 유사하게 나타난다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 친환경 차량의 보급은 도로터널의 화재시 큰 피해를 야기 할 수 있는 잠재적인 위험요소로 작용 할 수 있다. 특히 최악의 경우로 꼽을 수 있는 수소차의 화재사고는 폭발의 위험성과 함께 TPRD 개방에 의해 발생할 수 있는 제트화염에 의해 터널 내부 벽체의 손상과 열적 피해를 동반 할 수 있다. 특히 전술된 실험 결과에서 확인 할 수 있는 것과 같이 터널 벽체와의 이격거리가 2m이내에서 수소 제트화염에 의해 발생되는 열과 압력으로 인해 제트화염이 닿는 모든 부위에서 표면 파손이 일어나 최대깊이 7cm까지 패여 매립된 철근까지 노출되고 내부온도가 급격하게 상승하여 구조적인 문제를 야기할 수 있음을 보여 주었다. 다만, 콘크리트 압축강도 잔존율을 통한 위험도 판단은 건축물의 구조적 형태 및 상세사항을 반영해야 하므로, 본 결과를 통해 위험 유무를 정량적으로 판단하는 것은 어려우나 추후 상세한 관련 연구가 진행되어야 할 것으로 평가 된다. 또한, 제트화염에 의한 복사열 측정에서도 이격거리 2m에서 최대 복사열 39.16 kW/㎡이 발생하고, 복사열이 인체의 영향을 미치는 한계기준을 6kW/㎡으로 고려해 볼 때 매우 심각한 열적 피해가 우려될 것으로 분석 되었다.
마지막으로 현재 국내외적으로 전기·수소 차량을 목적으로 도로터널 화재 안전 표준기반은 턱없이 미미하다. 일반적인 도로터널 화재안전기준으로서 국외 NFSC 603, 국내에서는 국토부 예규(도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리 지침)가 마련되어 있으나, 이는 가솔린·경유 등 일반 연료 차량에 대한 안전대책으로 급격한 화재폭발 확산(수소) 및 적응성 있는 소화약제가 부재한(배터리) 경우를 전혀 고려하지 않은 과거 시점의 기술 기준이라는 한계점이 명확하다. 따라서 급증하는 친환경 차량의 화재위험성 대비하기 위한 관련 표준기반이 절실하며, 국제 표준 기반 조성을 주도하기 위한 선제적인 노력이 요구된다. 이에 국제표준화기구에서도 전기차, 수소차 등 친환경 대체연료 차량의 사용 급증에 따라 도로터널에서의 화재안전성이 심각히 저해됨을 인식하고. ISO TC92(Fire safety)를 중심으로 신규 WG을 결성하여 본격적인 표준 개발에 박차를 가하고 있는 바, 한국의 주도로 친환경 차량에 대한 도로터널의 화재안전 표준기반을 적시에 구축하고자 하는 노력이 매우 중요하다고 하겠다.