< Previous8 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도로터널에서 발생하는 결로의 원인과 대책방안 5.2 난방(가열) 터널 내부의 표면온도를 높이며 궁극적으로는 구조체의 온도가 높아지게 된다. 단열을 통해 구조체를 통한 열손실 방 지와 보온 역할을 해준다. 터널이 완공 된 후에 구조체의 표면온도를 높이는 방법은 어려움이 있다. 5.3 제트팬을 이용한 환기 환기는 습한 공기를 제거하여 터널내의 결로를 방지한다. 결로를 예방할 수 있는 쉬운 방법 중 하나이지만 여름철 터 널내보다 외부가 고온 다습할 경우 환기를 통해 외부 공기가 유입됨으로써 결로의 발생을 증가시킬 수 있다. 여름철에는 터널내보다 외부의 습도가 낮을 경우 바람직하지만 외부의 습도에 따라 환기장치의 작동을 고려하여야 한다. 그림 3은 습공기 선도상에서 실내공기가 제습, 가열, 환기를 통해 실내공기의 상태가 이동되는 것을 나타내고 있다. 즉, 실내온도 22°C, 습도 약 80%일 경우 노점온도는 18.6°C가 되며, 표면온도가 18.6°C보다 낮게 될 경우 결로가 발생 하게 된다. 제습을 통해 습도를 낮추면 노점온도가 낮아지고, 가열을 통해 온도를 높이면 구조체 표면온도가 높아지며, 환기를 통해 결로가 방지되는 것을 나타내었다. 따라서 결로 방지를 위한 대책으로 대표적인 방법은 결로가 발생하는 구 조체의 열성능을 강화시켜서 주변의 노점온도 보다 높은 온도를 유지시켜주는 방법과 공기 중에 함유된 절대습도의 양 을 감소시켜서 노점온도를 낮추는 제습에 의한 방법이 대표될 수 있다. <그림 3> 습공기 선도상에 결로 대응방안Vol. 24, No. 3 9 6. 국내외 사례조사 6.1 해외사례 : 일본 아사카와 터널 6.1.1 개요 1997년 7월 야오지오 남쪽 우회 아사카와 터널에서 터널 내부가 습윤 상태가 되는 현상이 발생했다. 이 현상은 맑은 날에도 발생해 공용 당초에는 노면이 웅덩이 같은 상황이 되었기 때문에 도로 이용자로부터 ‘차가 더러워진다’, 심지어 ‘시공 부실이 아니냐’는 등의 민원과 지적이 접수되었다. 아사카와 터널은 야오지 시 남부를 동서로 횡단하는 야오지 남 쪽 우회도로(전장 9.6km)의 일부 구간으로, 1997년 7월 잠정 공용한 2.6km 구간 내 1.8km를 차지하며 NATM공법으로 시공된 편측 2차선의 터널이다. 일 교통량은 3,500대 정도이지만, 권앙로(圏央道) 개통시에는 그 접근도로가 될 수도 있 고, 교통량은 20,000∼49,500대로 크게 증가할 것으로 예상된다. 또한 아사카와 터널은 초기 설계 시 강제 환기설비(제 트팬)가 필요했지만 도로터널 기술기준(환기편)의 개정(1997년 10월)에 따라 강제 환기 시설이 필요 없는 터널이 되었 다. 그림 4는 아사카와 터널의 상태를 나타내고 있으며 그림 5는 아사카와 터널의 주변 평면현황을 보이고 있다. <그림 4> 아사카와터널의 상태<그림 5> 아사카와터널 주변의 평면도 6.1.2 현지조사 아사타와 터널의 라이닝과 포장면 상태조사 결과 특별한 문제점을 발견하지 못하였고, 시공 및 공용 중 터널 내 유입 량의 변화도 큰 차이가 없어 습윤 상태의 원인을 결로로 가정하였다. 더 자세한 조사는 기온, 습도, 풍속, 포장 노면 온 도, 복공 벽면 온도, 포장 노면 상태, 복공 벽면 상태 항목에 대해 수행되었다. 조사기간은 1997년 8월 24일부터 26일까 지 3일간 오전(9시 전후)과 오후(15시 전후)의 1일 2회 측정을 실시하였다. 덧붙여, 이 3일간 날씨는 맑고, 조사 직전에 도 맑았다. 조사 항목과 조사 위치의 평면도를 그림 6에 표시하였다. 터널 갱도와 터널의 300m마다 기온과 습도를 측정 하고 터널 갱도와 비상 주차 구역에서 풍속을 측정하였다. 또한, 포장노면 및 라이닝 벽면 온도에 대해서는 좀 더 자세한 조사를 위해 100m별로 계측했다.10 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도로터널에서 발생하는 결로의 원인과 대책방안 <그림 6> 조사 항목 및 조사 위치 6.1.3 현지조사 결과 1일 측정결과는 3일간의 측정결과와 모두 같은 경향을 보였으며, 오전과 오후 측정결과도 같은 경향을 보였다. 오후 가 터널 밖 기온이 높아지기 때문에 다른 결과가 될 것으로 예상됐지만 오전부터 오후까지 약 1도의 상승에 그쳐, 3일 모 두 영향을 보이지 않았다. 상하선에 공통적인 경향으로, 터널 내 기온은 포장 노면과 라이닝 벽면 온도보다 높았고, 포장 노면과 라이닝 벽면 온 도는 터널 입구만큼 높았으며 출구만큼 낮았기 때문에 출구만큼 기온과 포장 노면 및 복공 벽면 사이의 온도 차이가 커 졌다. 또한 터널 내의 습도는 내부가 높고 풍향은 자동차의 주행 방향과 동일하며 풍속은 약 3m/s로, 관찰에 의한 습윤 상태인 것으로 확인된 범위는 터널 출구 근처의 상하선과 동일하며, 500~900m 범위였다. <그림 7> 상행선 조사 결과<그림 8> 하행선 조사 결과Vol. 24, No. 3 11 조사 결과를 대표해 8월 25일 오전 데이터의 상행선을 그림 7, 하행선을 그림 8로 나타내었다. 그림에서 W가 습윤상 태, D가 건조상태를 나타내고 있다. 6.1.4 조사결과의 분석 및 원인에 대한 파악 터널 내 공기의 수증기량이 포장노면과 라이닝벽면 온도에서 포화 수증기량보다 크면 결로가 발생하기 때문에 터널 내의 온도와 습도에서 터널 내 공기가 함유된 수증기량을 산출하고 포장노면과 라이닝벽면 온도에서 포화 수증기량과 비교한다. 덧붙여 포장노면과 라이닝벽면은 갱구부를 제외한 온도차는 거의 없으므로 대표하여 터널 내 공기의 수증기 량과 벽면 온도에서의 포화수증기량의 그래프를 그림 9~10에 나타내었다. 상하선에 공통적인 경향으로 터널 내의 공기 가 함유된 수증기는 거의 일정하며, 라이닝벽면 온도에서의 포화 수증기는 터널 입구가 크고 출구에서 작아지고 있다. 또한 터널 출구에 가까워짐에 따라 터널 내 공기가 함유된 수증기량이 라이닝벽면 온도에서 포화수증기량보다 크고 출 구만큼 그 차이도 커지고 있다. 계산결과와 실제로 습윤상태였던 범위는 터널의 출구부근에 집중되어 있었다. <그림 9> 상행선의 수증기량 <그림 10> 하행선의 수증기 양12 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도로터널에서 발생하는 결로의 원인과 대책방안 습윤 상태를 확인한 범위와 계산된 수증기량을 관찰한 결과, 터널에서 2g/m3 이상의 수증기가 포화 수증기보다 더 큰 범위에서 습윤 상태를 보였다. 계산 결과와 실제 습윤 상태의 범위가 다른 결과가 된 것은 바람에 의한 영향이 생각된다. 계산상으로는 이상 상태이며 바람이 없고 공기가 체류하고 있어 터널 내의 기온· 포장 노면온도· 복공 벽면온도가 정상 상태에 있는 경우이다. 이번처럼 터널 내에 바람이 흐르고 있었기 때문에 계산과는 다른 결과가 된 것으로 보인다. 이로 인해 터널 내 습윤상태의 원인은 결로에 의한 것으로 파악할 수 있었다. 터널 완공 후 관찰된 장마철부터 여름철까지 습 윤 상태가 되었지만 10월 이후에는 습윤 상태가 되지 않은 것도 결로가 원인인 것과 일치한다. 6.1.5 향후 과제 및 대책 터널 내 발생하는 결로를 억제하기 위해서는 환기로 인해 건조한 공기를 흡수하여 습도를 낮추는 것이 효과적이지만, 아사카와 터널은 강제 환기시설이 없고, 현재는 교통량이 적기 때문에 차량에 의해 환기되기 어려운 상황이다. 또한, 교 통량이 증가하지 않으면 앞으로도 장마철부터 여름철까지도 결로의 발생이 예상된다. 이 터널은 환기상 설계에서는 강 제 환기설비를 설치할 필요는 없지만 도로관리상의 과제로 검토가 필요하다고 제시한다. 아사카와 터널에서의 결로 발생의 근본적인 해결책은 교통량 증가로 인한 자연 환기량을 증가시키는 것이다. 그러나 당분간은 장마철부터 여름철에는 그림 11과 같은 경보 표시판이나 간판 등으로 도로 이용자에게 주의 환기를 실시하기로 하고 있다. 일본 전체적으로도 결로가 발생하는 터널은 드문 것은 아니며, 도로정보판 등에 의한 주의환기로 대응한다고 하는 터널도 존재하고 있다. <그림 11> 터널 경보 표시판 앞으로 터널과 같은 도로터널 기술표준(환기 편)의 개정으로 강제환기 시설이 없는 터널이 증가하기 때문에 결로가 발생하기 쉬운 터널이 증가할 것으로 판단된다. 설계에 있어서는 환기만 할 뿐 아니라 결로에 대해서도 지역 특성 등을 고려한 검토를 해나갈 필요가 있는 것으로 보인다.Vol. 24, No. 3 13 6.2 국내사례 : 보령해저터널 6.2.1 개요 충남 보령시 대천항과 오천면 원산도를 연결하는 국도77호선의 보령해저터널이 2021년 12월에 개통하였다(그림 12~ 13). 길이 6.927km인 보령해저터널(상· 하행선 각각 2차로 분리터널)은 국내최장이자 세계에서 다섯 번째로 긴 해저터 널이다. 세계 1위는 일본 도쿄아쿠아라인(9.5km), 2d위는 노르웨이 봄나피요르드(7.9km), 3위는 노르웨이 에이커선더 (7.8km), 4위는 노르웨이 오슬로피요르드(7.2km) 등이다. 보령해저터널의 순수 해저터널 구간은 5.2km에 달하며, 해 수면으로부터 최대 80m 하부(평균 수심 20m, 해저면에서 최대 55m)에 있다. 해저구간 공사는 발파 굴착 방식인 NATM 공법을 적용하였다. 표 1은 보령해저터널의 현황을 나타내고 있다. <그림 12> 보령해저터널 위치도 <그림 13> 보령해저터널 평편 및 종단현황14 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도로터널에서 발생하는 결로의 원인과 대책방안 <표 1> 보령해저터널 현황 구분보령방향(L=6,916.08m)태안방향(L=6,927.00m) 위치 전체연장STA.0+290.80~STA.7+206.88 (L=6,916.08)STA.0+293.00~STA.7+220.00 (L=6,927.00) 해저연장STA.1+039.00~STA.6+244.00 (L=5,205.13)STA.1+075.00~STA.6+284.00 (L=5,209.00) 선형 평면R = 600~5,000 종단-4.85% ~ -0.5% ~ +4.95% 갱문형식 시점부면벽식면벽식 종점부벨마우스 변형벨마우스 변형 6.2.2 터널종단 및 단면계획 최적의 대안공법 선정을 검토하기 위하여 침매터널, 쉴드TBM 및 NATM을 검토하였으며, 각각의 대안공법에 대한 최 적 종단계획을 그림 14와 같이 수립하였다. 최종 선정안은 시공성, 경제성 및 환경성 등을 고려하여 NATM안을 선정하 였고, 최소토피(20m)와 적정 Rock-cover 확보를 위해 종단경사는 -4.85% ⇨ -0.5% ⇨ +4.95% 로 계획하였다. <그림 14> 보령해저터널 최적 대안공법 선정 해저구간에 대한 최소암반두께(minimum rock cover)를 검토한 결과 그림 15~16과 같이 노르웨이 사례의 평균값 이 상을 확보하였으며, Palmstrom의 경험적 해석값도 만족하는 것으로 분석되었다. <그림 15> 노르웨이 사례 평균치 이상 확보<그림 16> Palmstrom의 경험적 해석값도 만족Vol. 24, No. 3 15 터널 단면은 그림 17~18과 같이 육상구간과 해저구간을 이원화하여 적용하였으며, 특히 해저구간은 지반조건에 따라 단면계획 시 하부인버트를 설치하는 것으로 계획하여 터널의 안정성을 확보하도록 하였다. <그림 17> 육상구간 표준단면<그림 18> 해저구간 연암이하(인버트단면) 6.2.3 보령해저터널 결로 발생 및 판단근거 6.2.3.1 결로 발생 현황 보령해저터널에서 외부 온도 및 습도 상승으로 수증기가 높아지는 시점(5월)부터 젖음 현상 발생하였으며, 이는 터널 표면온도와 외부 온도와의 온도차이에 의한 이슬점 발생으로 인한 결로가 발생하는 것으로 판단되었다. 표 2는 시기별 결로발생 현황을 나타내고 있다. <표 2> 시기별 결로발생 현황 개통후 ~ 5월 이전5월(결로 발생)7월(제트팬 가동 후) 측구하단 일부 젖음측벽, 바닥, 공동구 젖음결로현상 완화 6.2.3.2 결로판단의 근거 터널내의 포장면, 라이닝 벽면 및 배수로에 발생된 물기에 대하여 염도를 측정하여 표 3과 같은 결과를 얻었으며, 염 도 측정 결로수의 염분측정 결과 염분은 미미한 수준인 것으로 확인하였다. 다만 배수로에서 측정된 결과는 배수조건임 을 고려할 때 적절한 결과로 판단된다.16 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도로터널에서 발생하는 결로의 원인과 대책방안 - 점검 내용 : 육안검사, 터널내부 지하수 염도조사 결로수의 염분농도는 염수의 1/16 수준으로 확인 - 점검 결과 : 결로현상으로 판단, 터널의 내구성에는 문제없음 <표 3> 염분측정 결과 위치 염분측정 결과 비고 염도 측정기(7/8)외부기관 정밀측정(7/11) 포장 표면수 0.21% 0.14% 벽면 결로수0.13% 배수로(종배수관)-2.95%바닷물 3.5% 누수의 발생 시기는 외기의 온도/습도가 상승하는 5월부터 집중적으로 발생하였으나 동절기에는 발생이 없었으며, 누 수의 발생위치는 터널 라이닝 벽체에 국부적으로 흐르는 물자국이 생기나, 점차 터널 벽면에 전반적으로 물방울이 맺히 는 현상이 확대되었으며, 터널 벽면보다 상대적으로 온도가 더 낮은 터널 내부의 철재 구조물에 물방울이 많이 발생하는 것으로 확인되었다. 6.2.4 보령해저터널 온도/습도 측정 및 결로 현황 6.2.4.1 노점온도 산정 그림 19는 습공기 선도를 활용한 노점온도 산정 예시 - 현재 공기상태 : 건구온도(DB) 20°C, 상대습도 67% - 노점온도 도출 : 현재 상태점(A)의 공기가 냉각이 될 경우, 상대습도 100% 이상 포화되면 기체가 아닌 액체 로서 결로가 맺히며 이때의 온도를 노점온도(B)라 함 6.2.4.2 보령해저터널 온도/습도 측정 외부온도, 터널내부 콘크리트 표면온도 및 터널내부 온도/습도를 매일 시간대별로 측정하고 있으며, 이슬점 온도(노점온도)가 표면 온도보다 높을 경우 결로현상이 발생하고 있으며, 반대의 경우는 결로 현상이 완화된다. 이슬점온도(노점온도)는 온도와 습도에 비례하여 높아지며, 터널 외부가 고온, 다습할 경우 외기가 유입되면 습도가 높 아져 이슬점온가가 상승하고 결로현상 발생 조건이 형성된다. 표 4는 터널 내부에 측정된 온도와 습도 결과이다. <그림 19> 습공기 선도를 활용한 노점온도 산정 예시Vol. 24, No. 3 17 <표 4> 결로 발생 시점의 온도, 습도 현황 콘크리트 표면내부비고 배수로(종배수관) 물표면온도온도습도노점온도 결로발생 조건 : 표면온도 < 노점온도 16°C21°C23°C90%22°C 6.2.5 결로발생 유사사례 및 해결방안 국내 터널중 결로가 발생되었던 유사사례는 표 5와 같다. <표 5> 국내터널 결로발생 사례 터널명발생여부해결방안비고 [1] 인제터널 터널 중앙부에서 출구부까지 5km 구간 집중발생 - 터널내 제트팬 전체 운전으로 풍속 약 5m/s 형성 후 결로 제거시작 (약 20일 이상 일 10시간 가동) - 연장 : L=11.0km - 준공 : 2017. 7 [2] 서부간선 지하도로 중앙부 이후 4km 구간에 집중 발생 - 구간별 차단후 내부에서 발전기 가동으로 열축척 및 제습 - 터널내 제트팬 전체운전으로 풍속 약 3~4m/s 형성 후 결로 해결 - 연장 : L=9.0km - 준공 : 2021. 9 [3] 와달리터널 (울릉도) 노면 젖음 및 상단부 벽면에 물기 발생 - 제트팬을 이용 환기조치 후 완전제거는 되지 않았으나 하절기 이후 자연해소 - 연장 : L=1.9km - 준공 : 2019. 4 [4] 북항터널 (인천) 일부 노면 젖음 현상 있으나 전체적으로 결로 미발생 - - 연장 : L=6.4km - 준공 : 2017. 3 - 심도 : 56m - 해저구간 : 1.0km 6.2.6 결로방지 대책 결로 방지를 위하여 터널 외부의 기상상태가 고온· 다습인 경우는 그림 20과 같이 외부공기 유입 차단을 위해 제트팬 을 가동하도록 조치하였으며, 효율적인 기능을 발휘하도록 입구부와 내부에서 제트팬의 운전은 다음과 같이 계획하였다. - 입구부 : 역방향 운전(외부 고온, 다습한 공기 유입 차단) - 내부운전 : 차량 진행방향 운전 <그림 20> 제트팬을 이용한 결로방지 대책Next >