도로터널에서 발생하는 결로의 원인과 대책방안

도로터널에서 발생하는 결로의 원인과 대책방안

• 발행 : 2022. 9.
• 형식 : pdf 15 page
• 출처 : 한국터널지하공간학회
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• 주요 내용

2021년 12월에 개통된 국내 최대의 해저터널인 보령해저터널은 대천과 원산도를 잇는 해저터널로 1시간 30분이 소요 되던 육상교통로를 10분대로 단축하여 보령과 태안을 하나의 관광밸트로 구축하였다. 또한, 4계절 어떠한 악천후에도 안전한 통행이 가능하여 원활한 소통이 보장되며, 선박과의 충돌우려가 없고, 해양생태계에 미치는 영향이 다른 대안들 에 비하여 상대적으로 미미하기 때문에 많은 국가에서 해양생태계와 자연 환경을 보호하는 최선의 방안으로 해저터널을 선택하고 있다. 노르웨이에서는 총 25개의 해저터널을 건설하여 피요르드 해안의 관광밸트를 구축했고, 홍콩과 중국 또 한 해양생태계 보호와 선박의 항로확보, 해상개발을 위한 부지확보를 위해 해저터널을 꾸준히 개발하고 있는 실정이다. 그런데 최근 이러한 해저터널에 누수현상이 발생되었다는 매스컴의 보도로 터널을 이용하는 이용자의 불안감이 증가 되었으며 사회문제가 되는 상황이 발생하였다. 물론 이것은 이후 현장 조사에서 터널의 결함에 의한 누수가 아니고 터널 내외부의 온도와 습도차이로 인한 결로가 원인이라는 것이 밝혀졌다. 따라서 본 고에서는 터널구조물에 발생하는 결로 의 원인과 국내· 외 사례 그리고 대책방안에 대하여 논하고자 한다.

 

터널 습윤 상태의 원인

터널 내부가 습윤 상태로 될 수 있는 원인은 터널 내부 누수나 결로인 것으로 판단된다. 터널 내 누수는 라이닝 벽면과 포장체 표면의 누수가 원인으로 판단된다. 라이닝 벽면에서 누수는 라이닝 벽면의 줄눈 부위, 천단부 등으로 부터 균 열 발생에 따른 누수가 원인으로 판단된다. 포장면의 누수는 포장면 및 배수구의 불량으로 인해 포장면으로 누수가 발생 되는 것을 고려할 수 있으며, 이는 시공 중과 운영 중의 터널 배수량 차이를 조사하여 누수여부를 확인할 수 있다. 반면 결로는 따뜻하고 습한 공기가 식음으로써 발생하기 때문에 공용 전후에 있어서 기후조건인 온도와 습도를 측정함으로써 결로 발생유무를 확인할 수 있다. 또한, 해저터널의 특성을 고려하여 터널 내의 유입수의 염분 농도를 측정하여 누수 여부를 확인할 수 있을 것이다.

 

결로의 정의

결로란 공기중의 수증기에 의해서 발생되는 일종의 습윤 상태를 일컫는다. 즉, 수증기를 포함하고 있는 공기가 그 공 기의 노점온도와 같거나 낮은 온도의 표면과 접촉하여 수증기가 응축하여 물방울이 맺히는 현상을 말한다. 수증기를 많 이 포함한 따뜻한 공기가 저온의 표면과 만나면 공기의 온도가 낮아지게 되고, 이때 포화수증기량은 감소되며 더 이상 포함할 수 없게 된 수증기가 물방울이 되어 저온의 표면에 맺히게 되며 이것을 결로라 한다. 컵에 차가운 물을 담으면 컵 표면이 차가워지면서 물방울이 맺히는 원리와 동일하다. 하절기 결로는 대부분 고온다습한 외부공기가 상대적으로 온도가 낮은 실내공간에 유입되어 상대습도를 상승시켜 발 생하며, 실내공간 중 표면온도가 낮은 부위부터 발생하기 시작한다. 가장 대표적인 부분이 터널 등의 지하공간이 되며, 이러한 공간은 환기가 충분하지 않고, 연중 일정한 기온으로 유지되는 지중 온도의 영향으로 구조체의 실내측 표면온도 가 크게 상승하지 않는다. 따라서 고온 다습한 외기가 실내로 유입되어 상대적으로 차가운 구조체의 표면과 접촉할 경우에는 벽체 표면에 결로가 발생하게 된다.

 

용어의 정의

∙ 습공기(humid air, moist air) : 수증기를 포함한 대기

∙ 건공기(dry air) : 수증기를 포함하지 않은 공기

∙ 포화공기(saturated air) : 최대한도의 수증기를 함유하는 공기

∙ 절대습도(absolute humidity) : 습공기 중에 함유되어 있는 수증기의 중량을 나타내는 것

∙ 노점온도(dew point temperature) DP· t’(°C) : 수증기가 응축하여 물방울이 맺히는 온도

∙ 건구온도(dry bulb temperature) DB· t (°C) : 보통의 온도계에 나타나는 온도

∙ 습구온도(wet bulb temperature) WB· t’(°C) : 습구온도계에 나타나는 온도

∙ 포화도(degree of saturation) : 습공기의 절대습도와 그 온도에 대한 포화공기의 절대습도의 비

∙ 습공기 선도 : 습공기의 열역학적 상태를 나타내는 선도로 습공기의 수증기분압, 절대습도, 상대습도, 건구온도, 습 구온도, 비체적, 엔탈피 등의 각 상태값을 하나의 선도에 나타낸 것

 

결로의 발생 원인 및 매커니즘

결로의 발생 원인은 여러 가지를 고려해 볼 수 있으며, 특히 터널 및 지하공간에 대한 결로 발생의 주 원인은 습기를 다량으로 포함한 고온의 공기가 터널 내부로 유입되고, 열용량이 큰 중량구조체가 온도반응이 늦게 일어나면서 표면이 차가운 부위에서 발생하게 된다. 즉, 터널내부에서 온도가 낮은 포장면, 배수관로 주변 등이 열적 반응이 늦어서 결로가 발생되기 쉬울 것으로 판단된다. 결로 발생은 어떤 임의의 기온에서 포화 수증기에 도달하고, 기온이 더 내려갈 때 발생한다. 터널 외부의 따뜻하고 수 증기를 다량 함유하는 공기가 공기온도보다 낮은 터널 내 포장 노면과 라이닝 벽면 부근에서 온도가 내려가면 수증기를 포함할 수 있는 양이 감소하기 때문에 포화 수증기량과의 차분량이 액화되어 포장노면과 라이닝 벽면에 부착된다. 즉, 터널 내 공기의 수증기량이 포장노면 및 라이닝 벽면 온도에서 포화 수증기량보다 앞선 경우 결로가 발생한다. 일반적으로 수증기량은 온도에 따라 변화하고 온도가 높을수록 많은 양을 함유할 수 있다.

 

국내사례 : 보령해저터널

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. 

 

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

 

결 론

이상과 같이 터널 및 지하공간에 대하여 결로 발생원인 및 사례, 그리고 대응방안을 살펴보았으며, 이를 통하여 다음 과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 최근 터널에서 발생하는 누수의 원인은 터널 균열 등의 원인으로 발생하는 것이 아니고, 터널 외부의 고온다습한 공 기가 터널 내부로 유입되어 이슬점온도(노점온도)가 터널 내 구조물의 표면온도보다 높을 경우 발생하는 결로현상이 주 원인으로 판단되며, 이슬점온도(노점온도)가 표면온도보다 낮은 반대의 경우는 결로 현상이 완화되는 것을 확인하 였다.

(2) 이슬점온도(노점온도)는 온도와 습도에 비례하여 높아지며, 터널 외부가 고온, 다습할 경우 외기가 유입되면 습도가 높아져 이슬점 온도가 상승하여 결로현상 발생 조건이 형성된다.

(3) 결로 방지를 위한 방법으로 첫째, 공기 중에 포함된 절대습도의 양을 감소시켜 노점온도를 낮추는 방법과 둘째, 결로가 발생하는 터널 라이닝 등 구조체의 열성능을 향상시켜 주변의 노점온도 보다 높은 온도를 유지시켜주는 방법이 있다.

(4) 기존 터널의 결로 발생 사례를 통해 대책방법을 살펴본 결과, 제트팬을 이용한 기계환기를 가동시킴으로써 터널내부 의 결로 발생을 완화할 수 있었다. 이때 터널의 입구부는 고온 다습한 공기의 유입을 차단하기 위해 역방향운전이 효 율적이며, 내부운전은 차량의 진행방향과 동일한 방향으로 운전하는 것이 효과적인 것으로 판단된다.

 

터널과 지하공간은 내부와 외부의 온도와 습기 차이로 인해 결로 발생이 지속적으로 발생하고 있으며, 다양한 해결방 안이 제시되고 있으나 완벽한 결로 차단이 어려운 실정이다. 따라서 결로 발생의 원인에 대하여 좀 더 다각적인 분석을 통해 근본적인 해결방안을 수립할 필요가 있을 것이다.