The Effects of Tunnel Geometrical Characteristics and Canopy Installation on the Ventilation and Fire Propagation

터널의 기하학적 형태 및 캐노피 설치가 터널 환기 및 화재 확산에 미치는 영향 분석

Understanding the airflow characteristics within the canopy structure installed between closely adjacent tunnels either for light adaptation or for protection from snow hazards is required for the normal ventilation as well as safety system design. Grade, horizontal alignment, cross-sectional area and shape are known to substantially influence the fire smoke behavior and their influences raise great concern for the safety design. This paper aims at studying the effects of tunnel geometrical characteristics and canopy installation on the ventilation and fire propagation through CFD analysis. In the case of 145m long canopy, 50% opening ratio is preferred with respect to the airflow pattern and ventilation efficiency. When a 20MW fire occurs in a 1.8km-long tunnel and four 1250mm reversible jet fans are instantly turned on, smoke concentration at 40m downstream of the fire decrease 13% for the upgrade tunnel with 2% gradient and increases 20% for -2% gradient, compared to the standard horizontal tunnel. Backlayering is observed within 45m-long segment toward the entrance in 2% down-graded tunnel. In a rectangular tunnel, there is no significant difference of smoke concentration as well as velocity profile from the standard crown tunnel. Three-laned tunnel shows lower level of both profiles and backlayering is detected up to 50m upstream of the fire, while the risky situation rapidly disappears thereafter.

시계조절이나 설해방지 목적으로 설치되는 캐노피 구간 내에서의 기류유동특성의 이해는 정상환기 뿐만 아니라 비상시 대처방안 강구를 위한 요건이다. 또한 터널 방재시스템 설계를 위하여서는 종단구배, 평면선형, 단면크기 및 형태 등과 같은 터널의 다양한 특성이 화재확산에 미치는 영향에 대한 정량적인 이해가 필요하다. 본 연구에서는 국내도로터널의 전형적인 특성을 적용한 터널에 캐노피가 된 경우와 종단 및 선형구배, 단면적 및 형태, 곡선구간이 환기 및 화재확산에 미치는 영향을 CFD분석함을 목적으로 하였다. 분석결과 145m길이의 캐노피인 경우 50%정도의 개구율이 기류유동 패턴 및 환기효과면에서 가장 바람직하였다. 1.8km 터널내에서 20MW 화재발생시 종단구배는 풍속분포와 화재연 확산에 큰 영향을 미치며 제트팬$({\varnothing}1250)$ 4대를 가동한 경우 화재발생 후 5분 경과시 하류 40m지점 부근에서의 화재연 농도는 +2% 구배에서는 13% 감소, -2% 구배의 경우에는 20%정도 증가하며 또한 backlayering거리가 45m정도에 달한다. 직사각형 단면터널의 경우, 화재연 농도 및 풍속분포는 말굽형 터널과 비교하여 현저한 차이가 관찰되지 않는다. 3차선 터널에서는 이들 변수는 모두 감소하며 100초 경과시 50m 정도의 backlayering을 보이며 이후 서서히 감소한다. 곡선터널인 경우는 화재연의 확산이 느리며 100초 경과시 50m에 달하던 backlayering현상은 급격히 사라진다.