도로터널 환기량 산정

왜 배우는가: 도로터널은 차량 배출가스와 화재 연기가 쌓이기 쉬운 구조라서 환기량을 정확히 산정해야 이용자 건강과 시공 안전을 지킬 수 있다. 공사 중 환기량과 완공 후 소요환기량은 기술사 시험에서 설계 절차와 함께 반복해서 묻는 주제다.

출제 이력: 제137회 1교시 6번, 제116회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

도로터널 환기량 산정은 터널 내 오염물질 농도를 허용 기준 이하로 유지하는 데 필요한 신선공기량(소요환기량)을 배출량과 기준농도로부터 구하는 설계 행위다.

• 소요환기량
• 기준배출량
• 교통환기력
• 기계환기
• 공사 중 환기(시공 환기)
• 희석 환기

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 터널 안에서 나오는 가스와 분진을 밖에서 들어온 깨끗한 공기로 묽게 만들어 밖으로 내보내는 데 필요한 공기의 양을 정하는 일이다. 공사 중에는 발파 가스, 굴삭 장비의 디젤 배기가스, 뿜어붙이기 콘크리트 분진이 주된 오염원이다. 완공 후에는 주행 차량의 배출가스가 주된 오염원이다.

정식 정의는 다음과 같다. 공사 중 환기량은 작업 구역의 유해가스·분진 농도를 노동 안전 기준 이하로 유지하기 위하여 오염원별 배출량을 합산하여 산정하는 필요 송풍량이다. 완공 후 소요환기량은 주행 차량에서 배출되는 CO와 NOx, 그리고 입자상물질(매연)의 농도를 설계 허용 농도 이하로 유지하는 데 필요한 송풍량이다.

소요환기량은 오염물질 배출량을 허용 농도와 희석에 필요한 공기 유량으로 환산한 값이다. 단위는 ㎥/s 또는 ㎥/h를 쓴다.

기준배출량은 차량 1대 또는 단위 주행거리당 질량 배출량(g/km 등)을 환기량 계산에 쓰도록 단위 환산한 값이다. 입자상물질은 ㎡/h, 가스상 물질 CO·NOx는 ㎥/h로 바꾸어 쓴다.

교통환기력은 주행 차량의 피스톤 효과로 생기는 환기력이다. 교통환기력이 소요환기량을 충족하지 못하면 기계환기를 설치한다.

희석 환기는 신선공기를 공급해 오염공기 농도를 낮추는 원리다. 환기량이 클수록 농도는 낮아진다.

3. 등장 배경과 필요성

도로터널은 외부 바람이 약하고 공간이 막혀 있어 오염물질이 머무르기 쉽다. 특히 대형차 혼입률이 높거나 교통량이 많은 터널에서는 배출량이 많아 자연 환기만으로는 기준 농도를 지킬 수 없다.

공사 중에는 장비 투입과 발파가 집중되어 짧은 시간에 가스와 분진이 많이 발생한다. 근로자의 호흡 안전을 위해 작업 시작 전에 환기 계획을 세워야 한다. 「터널공사 표준안전 작업지침-NATM공법」은 발파 후 가스·분진을 신속히 배출하고 발파 후 30분 이내에 배기·송기를 완료하도록 정한다. 또한 터널 내 기온은 37℃ 이하가 되도록 신선한 공기로 환기하도록 정한다.

완공 후에는 상시 교통에 따른 배출가스가 문제다. 설계 단계에서 환기량을 과소 산정하면 운영 중 농도 기준을 넘고, 과대 산정하면 설비비와 운전비가 낭비된다. 그래서 공사 중 환기량과 완공 후 소요환기량을 각각 체계적으로 산정하는 절차가 필요하다.

발파 후 30분 이내 배기·송기 완료는 공사 중 환기의 대표적인 시간 기준이다.

4. 구성요소·원리·절차

공사 중 환기량은 굴착 작업장에서 나오는 가스와 분진, 장비 배기, 작업 인원의 부하를 희석해 작업 기준 이하로 낮추는 풍량이다. 공사 완료 후 소요환기량은 차량 배출 오염물을 희석해 운용 기준을 만족시키는 풍량이다. 두 값 모두 희석 원리에 기초하며, 발생량과 허용농도의 관계로 계산한다.

발파와 디젤 기관은 시간에 따라 배출량이 변하므로 단위 배출량으로 환산해 쓴다. 작업 인원은 1인당 호흡 소요량에 인원수를 곱해 구한다. 암반·지반의 유독가스는 굴착 면 조사 결과를 발생량으로 쓴다.

희석 계산의 기본식은 다음과 같다.

$Q=\frac{G}{C_{lim}-C_{0}}$

Q는 필요 환기량(㎥/h), G는 오염물 발생량(㎥/h), C_lim은 허용농도(부피비), C_0는 유입 공기의 농도(부피비)다. 농도는 ppm(10⁻⁶)으로 맞추면 G와 같은 체적 단위로 계산된다. 발생량이 같아도 허용농도가 낮으면 필요 환기량이 커진다. 공사 중 소요환기량은 발생량을 허용농도차로 나눈 풍량이다

공사 중 환기량 산정 절차는 다음과 같다.

• 발생원(발파·장비·인원·숏크리트·지반)을 공정별로 나열한다.
• 발생원별 오염물 발생량 G를 단위 배출량으로 구한다.
• 물질별 허용농도 C_lim을 작업 기준에서 정한다.
• 발생원·물질별 필요 환기량 Q를 구하고 최댓값을 택한다.
• 최댓값에 여유를 더해 설비 용량과 덕트 배치를 정한다.
• 굴착 길이가 늘면 같은 절차로 재산정한다.

공사 완료 후 소요환기량은 차량 배출이 발생원이다. 차종별 설계 교통량에 기준배출량을 곱해 합하고, 허용농도 기준으로 나눈다.

$Q_{req}=\frac{\sum_{i} N_i\,q_i}{C_{lim}-C_{0}}$

N_i는 차종별 설계 교통량(대/h), q_i는 차종별 기준배출량(㎥/h), C_lim은 허용농도다. 가스상 물질인 CO와 NOx는 이 식으로 구하고, 입자상 물질은 시정거리 기준으로 따로 검토한다. 교통량은 설계 연도 연평균일교통량에 대형차혼입률을 적용해 정한다. 대형차혼입률은 대형버스, 중형트럭, 대형트럭, 특수트럭의 구성비를 합한 값이다.

교통 자체가 만드는 환기는 교통환기력(피스톤효과)이다. 교통환기력으로 얻는 환기량을 Q_t라 하면 기계환기가 채울 량은 다음과 같다.

$Q_m=Q_{req}-Q_t\quad(Q_m\ge 0)$

Q_m은 기계환기 설비 용량(㎥/h), Q_t는 교통환기력으로 얻는 환기량이다. Q_m이 0 이하이면 교통환기력만으로 소요환기량을 충족한다.

5. 관련 법령·기준·표준

터널 환기 설계는 「도로법」과 「도로의 구조·시설에 관한 규칙」 제42조(터널의 환기시설)에 근거한 도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지침을 따른다. 공사 중 작업 환경 기준은 「산업안전보건기준에 관한 규칙」과 NATM 공법 터널공사 표준안전 작업지침의 환기 조항을 따른다. 아래 표는 확인된 기준값을 모은 것이다.

산소와 이산화탄소 기준은 작업자의 호흡 조건이다. 기온 기준과 발파 후 배기 시간은 공사 중 환기 설비의 운전 조건으로 쓴다. 기준배출량은 질량 단위 배출량(g/km 또는 g/kW·hr)을 소요환기량 산정용 체적 단위로 바꾼 값이다.

공사 완료 후 연속 운전의 허용 일산화탄소 농도와 순간 허용 농도는 관련 지침이 정한 기준 이하로 둔다. 입자상 물질은 시정거리 기준으로 평가하며, 설계값은 관련 지침이 정한 값 이하로 둔다. 확인된 최신 지침 자료는 2026년 4월 30일 자이며, 기준 수치는 이 개정본을 기준으로 쓴다.