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ISSN : 1229-6783(Print)
ISSN : 2288-1484(Online)
Journal of the Korea Safety Management & Science Vol.27 No.3 pp.51-60
DOI : http://dx.doi.org/10.12812/ksms.2025.27.3.051

Analysis of Fire Risk Structural Risk Factors in Tunnel-Type Soundproofing Facilities

Yong-Woo Ha*, Cheol-Hong Hwang**
*Department of Disaster Prevention, Graduate School, Daejeon University
**Department of Fire and Disaster Prevention, Daejeon University
†이 논문은 2022~2024년도 정부(국토교통부)의 재원으로 수행된 연구(터널형 방음시설의 화재안전기준 마련을 위한 연구)임

†Corresponding Author : Cheol-Hong Hwang, Dept. of Fire and Disaster Prevention, Daejeon University, 62 Daehak-ro, Dong-gu, Daejeon 34520, Republic of Korea, E-mail: chehwang@dju.ac.kr
August 11, 2025 September 19, 2025 September 21, 2025

Abstract

This study experimentally and numerically evaluated the fire risks and structural vulnerabilities of tunnel-type noise barriers (hereinafter referred to as hereinafter referred to as soundproof tunnels). In Korea, soundproof tunnels are typically constructed using combustible polymeric materials such as polymethyl methacrylate (PMMA) and polycarbonate (PC) for noise reduction and lightweight design. However, due to their enclosed structural characteristics, concerns have been raised regarding heat and smoke accumulation as well as the rapid spread of fire. In this study, fire scenarios were established by varying structural conditions, including roof opening ratios and the presence or absence of central partitions, and analyzed using the Fire Dynamics Simulator (FDS). The results demonstrated that PMMA exhibited a lower thermal decomposition temperature and a higher heat release rate, indicating a higher level of fire risk, while PC showed superior fire resistance with higher decomposition temperature and delayed ignition properties. PMMA rapidly exceeded the critical thresholds for temperature and radiative heat flux, resulting in complete combustion. Central partitions were found to accelerate smoke spread, whereas side or roof openings facilitated smoke discharge to the exterior, contributing to fire suppression and improving life safety. In conclusion, this study confirmed that the fire risks of soundproof tunnel are jointly influenced by the combustion characteristics of the materials and the structural conditions. The findings are expected to serve as fundamental data for material selection and design standard improvements in future soundproof tunnel fire safety.
Soundproof tunnel, Fire risk, Combustion characteristics, Structural vulnerability, FDS simulation, Fire performance standards

터널형 방음시설의 화재 리스크 및 구조적 위험요인 분석

하용우*, 황철홍**
*대전대학교 대학원 방재학과 박사과정
**대전대학교 소방방재학과 교수

초록

1. 서 론 

 도시화와 고속도로 인프라의 확대에 따라 교통소음 민원이 지속적으로 증가하고 있으며, 이를 해결하기 위한 터널형 방음시설(방음터널) 설치가 도심 주요 도로를 중심으로 확산되고 있다. 특히 교통량이 많은 구간에는 반밀폐형 또는 완전 밀폐형 구조의 방음터널이 설계되고 있는데, 이는 소음저감 효과가 큰 반면, 화재 발생 시 열과 연기의 축적이 빠르게 이루어져 인명피해로 이어질 수 있는 구조적 한계를 갖고 있다.
 국내 방음터널은 경량성과 투명성을 이유로 PMMA (Polymethyl methacrylate), PC(Polycarbonate) 등 고분자 가연성 자재를 주로 사용하고 있다. 하지만 이들 자재는 열분해 개시온도가 낮고, 화재 발생 시 다량의 열과 유독가스를 방출하는 등 치명적인 화재취약성을 가진다. 또한 현행 법제도는 방음터널을 소음저감 시설로만 분류하고 있어, 소방관계법령이나 도로터널 내화지침의 직접 적용 대상에서 제외되어 있는 실정이다.
 실제 경기도 수원시(2020년)와 과천시(2024년)에서 발생한 방음터널 화재사례에서는 단일 차량 화재가 터널 전반으로 급속히 확산되며, PMMA 자재와 밀폐형 구조, 미비한 방재설비가 화재 확대의 주요 요인으로 지목되었다. 그럼에도 방음터널의 화재안전성에 대한 연구는 매우 제한적이며, 자재의 연소특성과 구조적 조건을 통합적으로 고려한 정량적 분석은 미비한 상황이다.
 이에 본 연구는 방음터널에 사용되는 PMMA와 PC를 중심으로, FDS 시뮬레이션을 통해 구조적 조건에 따른 화재확산과 인명안전성을 수치적으로 분석하였다. 연구 결과는 방음터널 설계 및 시공 시 화재안전성을 고려한 자재 선택과 구조계획 수립의 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.   
 

2. 선행연구 분석 

 방음터널의 화재리스크를 규명하기 위해서는 (1) 자재의 연소특성과 (2) 반밀폐 구조에서의 연기·열 거동에 관한 축적된 연구, 그리고 (3) 국내·외 실제 화재사례의 교차 검토가 필요하다. 국내에서는 특히 투명 방음패널에 널리 쓰여 온 PMMA와 PC의 가연성과 열방출 특성이 여러 실험을 통해 문제 제기되어 왔고, 이러한 재료적 취약성이 반밀폐 공간에서의 급격한 연소 확대로 이어질 수 있다는 점이 사례로 확인되었다. 이러한 맥락에서 본 절은 국내·외의 검증된 연구와 사례를 바탕으로 위험요인을 체계화한다. 
 국내 자재는 한국도로공사 도로교통연구원(2012)의 ｢고속도로 방음자재의 연소특성 및 방염성능에 관한 연구｣보고서로부터 분명해진다. 이 보고서는 방음자재의 연소특성을 콘 칼로리미터 등 표준 시험으로 분석하여, 투명 패널류의 점화 용이성과 화염 확산 가능성을 지적했다. 이어 한국방재학회 논문집에 발표된(2019)｢방음터널의 화재안전성에 관한 국내 연구동향 분석｣은 실제 시공된 PC 방음판 시료들을 대상으로 한 시험에서 방염·난연 성능 기준을 안정적으로 만족시키지 못한 사례를 제시하며, 자재기준만으로는 반밀폐형 시설의 화재안전성이 담보되기 어렵다고 결론지었다. 이는 단순히 ‘연소되기 어렵다’는 카탈로그 수치와 달리, 실제 구조·시공 상태의 자재 성능이 비선형적으로 저하될 수 있음을 시사한다. 
 국외 연구는 반밀폐·밀폐형 공간에서의 환기·유동과 열방출률(Heat Release Rate, HRR) 상호작용을 정량화하는 데 진전이 있었다. Ingason 등(2015)은 모델 스케일 터널 실험을 통해 종방향 환기 속도가 증가하면 피크 HRR과 화염 확산이 증폭될 수 있음을 보였고, 이는 환기 설계가 피난 가능 시간과 구조적 손상 한계에 직접적인 변수가 됨을 의미한다. Beard & Carvel(2012)의｢Handbook of Tunnel Fire Safety｣는 이러한 거동의 열역학·유동 해석을 체계화하여 설계·운영 기준과 연결하였고, NFPA 502(2020)와 PIARC 보고서(1999)는 연기제어·구획·설비 등 실무 지침을 제공한다. 방음터널은 법제상 ‘도로터널’로 분류되지 않는 경우가 많으므로, 해당 기준을 준용하거나 동등수준의 안전 목표를 설정하지 않을 때 구조적 취약성이 커질 수 있다. 
 실제 사례는 재료·구조·운영상 요인의 결합 효과를 보여준다. 최근 경기도 수원시 신대호수사거리(2020년)와 과천시 제2경인고속도로 갈현고가(2022년) 화재는 구조적 특성과 자재 특성이 화재확산에 중대한 영향을 미쳤다는 점에서 주목된다.
 수원 사례에서는 차량 화재가 PMMA 방음판으로 연소 확대되었고, 약 150m의 방음터널이 소실되었다. PMMA 용융물이 하부로 낙하하며 도로 표면을 손상시켰고, 상·측면이 밀폐된 구조, 제연설비 부재로 인해 연기가 빠르게 확산되었다.
 과천 사례에서는 화물차 화재가 차량 상부의 PMMA로 착화되며 화염이 급격히 확산되었고, 벽체는 접합유리와 고분자 필름으로 구성되어 추가 연소를 유발했다. 이로 인해 사망 5명, 부상 47명과 560m의 방음터널 및 차량 49대가 피해를 입는 대형 인명·재산 피해가 발생하였다.
 
 
 국제적 비교의 관점에서는 방음터널 화재사례가 축적된 국가는 아직 드물지만, 대형 도로터널 화재에서 축적된 교훈은 방음터널 설계·운영에도 직접 적용된다. 일본 도카이도(도쿄–나고야) 노선의 Nihonzaka 터널 화재(1979)는 차량 연쇄추돌 이후 장시간 고열·고연기 조건이 유지되며 170여 대 차량 전소·7명 사망으로 귀결되었고, 이후 일본은 터널 내 방재 설계를 전면 재점검했다. 방음터널은 구조적으로는 지상 반밀폐형이지만, 연기 상승류의 천정부착 유동(ceiling jet)·가시거리 급강하·온도상승에 따른 강재 성능저하 등 위험 메커니즘은 본질적으로 공유한다. 
 요컨대, 선행연구와 사례는 다음과 같은 합의를 이룬다. 첫째, 투명 패널류의 가연성·열방출 특성은 반밀폐 형상과 결합할 때 급가속 연소를 일으킬 수 있다(자재 위험). 둘째, 환기·제연 설계가 부적절하면 HRR 상승과 연기 체류가 겹쳐 피난 가능 시간(ASET)을 급격히 단축한다(구조·설비 위험). 셋째, 현행 법제의 적용 공백 특히 방음터널을 일반 도로터널 기준에서 제외하는 관행은 동일 위험을 반복시킬 수 있다(제도 위험). 본 연구는 이러한 자재, 형상, 환기, 제도의 복합 요인을 정량 분석하여 방음터널의 화재 리스크와 구조적 위험요인의 인과고리를 규명하고자 한다.   
 

3. 국내외 방음터널 현황 및 자재 특성 

3.1 국내 방음터널의 설치 및 자재 현황   

 방음터널은 고속화도로, 간선도로, 고가차도 인근의 주거지역에 설치되어 차량 소음을 저감하고 생활환경을 개선하는 역할을 한다. 국토교통부 조사에 따르면 2023년 1월 기준 운영 중인 방음터널은 170개소(L=59,300m)로 집계되었으며, 본 연구 조사결과 방음터널의 구조는 주로 타원형(전체의 약 76.7%)으로, 대부분 측벽(94.8%)과 상부(97.4%)가 미개방 된 형태였으며, 중앙 격벽 미설치(89.7%), 제트팬 등 환기설비 미설치(97.4%) 된 경우로 나타나 환기 및 연기 제어 능력이 매우 제한적인 것으로 분석되었다. 
 
 
 
 또한 방음터널 자재는 주로 구조 지지체(H형강, 원형강관 등)와 방음판(투명형, 흡음형)으로 구성되며, 투명형 방음판의 자재는 주로 PMMA, PC, 접합유리 등이 사용되고 있으며, 이 중 PMMA와 PC는 가시성(투명성), 경량성 등이 우수하나 고분자 기반의 가연성 자재로 화재에 매우 취약하다. 
 

3.2 해외 방음터널 설치 및 화재안전 적용 사례   

3.3.1 폴란드 

 바르샤바 S8 고속도로에 2011년 설치된 1.2km 길이의 방음터널은 철근, 방음판, 복합유리로 구성되어 있으며, 측면이 약 15% 개방된 구조이다. 비상출구가 200m 간격으로 설치되어 있고, 복합유리 사용을 통해 화재 시 내부 연소 확산을 억제하는 구조로 설계되었다. 
 

3.2.2 중국 

 무한시 고층 건물 사이에 설치된 1,745m 길이의 취큐오 후 방음터널은 철근과 플라스틱 방음재로 구성되어 있으며, 내부에 스프링클러와 50m 간격 분무장비가 설치되었다. 총 12개의 탈출구와 제트팬형 배기시설을 갖추었으며, 재난 발생 시 피해를 보장하는 보험제도도 병행되어 있다.     
 
 

3.2.3 독일 

 골드바흐 지역에 설치된 철근콘크리트 구조물로 아치형 단면을 갖는다. 중앙에 격벽이 설치되어 양방향을 분리하며, 자동 개폐형 창문, 태양광 발전설비 등도 포함되어 있다. 외부 화재에 대한 구조적 대응성을 고려한 설계이다.       
 
 

3.2.4 홍콩   

 취안완 지역의 고속도로에 위치한 방음터널은 상수도형 소화전만을 갖추고 있으며, 구조는 완전 개방형에 가까워 연기 축적 우려는 낮은 편이다. 전통적인 방재설비보다는 개방성을 통한 수동적 화재 확산 억제를 적용한 사례다. 
 

3.2.5 일본 

 다이바선에 설치되었던 방음터널은 철근구조와 플라스틱 방음재로 이루어졌고, 비상전화 및 피난문이 설치되어 있었다. 현재는 철거되었으나, 운영 당시 비상피난 기능을 갖춘 사례로 참고 될 수 있다.     
 
 

4. 화재 시뮬레이션을 통한 위험성 평가 

4.1 시뮬레이션 개요 및 목적 

 방음터널은 그 구조적 특성상 밀폐된 공간 내에서 화재가 발생할 경우 열과 연기의 급속한 확산으로 인해 대형 인명피해가 발생할 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 화재 발생 시 자재의 연소특성 및 구조 조건이 화재 확산과 인명안전 확보에 어떤 영향을 미치는지 정량적으로 평가하기 위해 FDS(Fire Dynamics Simulator)를 활용한 시뮬레이션을 수행하였다. 각 자재 종류와 구조적 변수를 반영한 시나리오를 구성하여, 열 확산, 유해가스 발생, 피난 가능성 등을 분석하였다. 
 

4.2 모델링 설정 및 조건 

 시뮬레이션 모델은 소형 터널을 대상 화재발생 후 시나리오에 따른 화재 확산 종료 시점까지 시뮬레이션을 구동하였으며, 터널 중앙에 위치한 차량화재(20MW급 버스｢도로터널 방재․환기시설 설치 및 관리지침｣에 따른 화재 발생 시나리오 작성 기준 준용 )를 화원으로 설정하였다. [Figure 8]과 같이 MIRROR 경계를 기준으로 좌우가 동일한 형태로 가정하는 MIRROR 경계조건을 활용하였으며, 기타 경계조건 20℃, 1atm을 가정하였다. 또한 자재별 물성값, 구조 형태, 격벽 설치 유무, 개방 조건 등을 변수로 구성하여 시나리오 유형은 총 20종으로 구성하였다. 
 
 
 

4.3 주요 결과 분석 

4.3.1 자재별 화재확산 특성 

 자재 특성에 따른 화재 확산 양상 비교 결과, PMMA는 방음터널 전체로 화재가 확산되어 전소되는 양상을 보였다. PC는 연소 범위가 약 36m 이내로 제한되었으며, 접합유리는 연소되지 않았다.   
 
 
 인명안전한계 기준 비교를 위해 [Figure 11]과 같이 방음터널 중심부로부터 10m 거리 별 위치에서 인명안전한계 기준 초과 시간 측정 결과 <Table 4>와 같이, PMMA는 21m 까지, PC는 19m 까지 온도 한계를 초과한 반면, 접합유리는 초과 항목이 없었다. 이는 PMMA가 PC보다 빠르게 온도 한계 기준을 초과하며, 화재 최성장기를 지난 이후에도 온도가 안정화 되지 않는 형태가 나타났다.
 또한 복사열 측정 결과 화재확산에 의해 PMMA와 PC는 최초 복사열이 5kW/㎡ 이상 나타난 이후, PC는 복사열이 지속적으로 감소하는 반면, PMMA는 다시 5kW/㎡ 이상으로 복사열이 증가하였는데 이는 화재확산에 의해 PMMA 방음판이 지속적으로 연소되기 때문으로 판단된다.     
 
 
 

4.3.2 터널 형상에 따른 영향 분석 

 터널 단면 형상은 타원형, 반월형, 사각형, 지붕형, 상향형의 다섯 가지 유형을 고려하였으며, 격벽 설치 유무를 함께 분석하였다. 
 화재 확산 비교 결과 터널의 연장방향 연소 길이는 비슷하나 연소된 면적에서 차이를 보였는데, 격벽 미설치 시 지붕형이 가장 넓고(150.125㎡), 반월형이 가장 작았으며(135.75㎡), 격벽을 설치한 경우 사각형(90.875㎡)이 가장 넓고, 상향형(80.125㎡)이 가장 작았다.     
 
 
 온도 분포 역시 형상별로 차이를 보여 터널 형태와 격벽 설치 유무에 따른 위험성 편차가 있음을 확인하였다. 격벽 설치 시 인명한계안전기준 온도 기준 초과 시간은 빠르게 온도 기준 초과 거리 또한 길게 도출되었다. 이는 격벽으로 인해 터널의 부피가 감소하여 화원으로부터 발생하는 연기의 확산이 빨라지기 때문이다. 
 
 
 
 터널 형태별 온도 기준 초과시간, 초과거리와 연소면적에서 차이가 발생하나 이는 터널 형태별 부피 및 화원과 직상부 높이 차이로 인한 것으로 보이며, 부피가 같은 구조로 변경할 경우 위험성에 대한 확인이 필요할 것으로 판단된다. 그러나 최고 높이가 같을 경우 반월형과 상향형 같이 한쪽 측벽이 낮은 형태로 되어있는 방음터널은 타 형태에 비해 온도 기준 초과 시간이 빠르게 도출됨에 따라 방음터널 높이를 충분히 확보하거나 한쪽 측벽이 낮은 형태는 지양하여야 할 것이다.
 
   

4.3.3 측벽 개방에 따른 영향 분석   

 방음터널의 측벽 개방 시 격벽 설치 유무에 따른 위험성 확인 결과, 격벽 설치 시 481초에 최대 연소범위, 연소길이는 16m였다. 반면 격벽 미설치 시 553초에 최대 연소범위, 연소길이는 14m로 나타났다.   
 
 
 또한, 측벽 개방 시 격벽 설치 유무와 관계없이 인명안전한계 기준을 충족하였다. 이는 측벽을 개방할 경우 연기가 외부 공간으로 배출되어 인명안전한계 기준을 초과하지 않는 것으로 판단된다.   
 
 

4.3.4 상부 개방률에 따른 영향 분석 

 상부를 5%, 10%, 20% 및 간격 개방형(10m 간격 2m 개방)으로 나누어 분석한 결과, 개방률이 증가할수록 연기 배출이 원활해졌으며, 특히 20% 이상 개방하거나 간격 개방을 적용한 경우에는 화재 확산이 발생하지 않았으며, 인명안전한계 기준(온도, CO 등)도 모두 충족되었다.   
 
 
 상부를 일부라도 개방할 경우 터널 내 연기가 개방한 부분을 통해 이동하여 터널 내 연기가 쌓이지 않기 때문이며, 다만 상부 개방 시 화재안전 측면은 유리할 수 있으나, 개방된 부분을 통해 소음이 집중되는 등 방음터널의 의미가 퇴색될 수 있다.
 
   

4.3.5 시뮬레이션 결과에 대한 종합적 시사점 

 시뮬레이션 분석 결과를 종합하면, 자재의 연소 특성과 구조 조건은 화재의 열 확산과 피난 가능성에 결정적인 영향을 미치는 요소임이 확인되었다. 특히 PMMA와 같은 고위험 자재는 열 및 연기 축적을 유도하였으며, 밀폐 구조에서 그 위험성이 배가되었다. 반면, 상부나 측벽의 개방이 일정 수준 확보될 경우, 연기가 외부로 배출되며 화재 확산이 억제되고 인명안전성이 확보되었다. 이에 따라 방음터널 설계 시 자재 선정과 함께 구조 개방성 확보가 화재안전 확보의 핵심 전략임을 본 연구는 제안하고 있다.   
 

5. 결론 및 제언 

 본 연구는 방음터널의 화재위험성을 자재의 연소특성과 구조적 조건의 측면에서 실제 사용 중인 고분자 투명 자재(PMMA, PC 등)를 대상으로 FDS 시뮬레이션을 통해 구조별 화재확산성과 인명피난 가능성을 비교·분석함으로써, 방음터널의 화재취약성에 대한 정량적 근거를 도출하였다.
 시뮬레이션 결과 PMMA 적용 시 화재 성장 속도 및 온도 증가가 빠르게 나타났으며, 중앙 격벽이 설치된 구조는 연기 확산을 가속화해 위험성을 높이는 경향을 보였다.
 반면 측벽 또는 상부 개방 구조에서는 열과 연기의 외부 방출로 인해 상대적으로 피난 가능 시간이 확보되었다. 이는 구조계획 단계에서 개방률 확보가 화재안전성 확보에 핵심적 요소임을 시사한다.
 방음터널의 화재안전성은 자재 특성과 구조 조건이 복합적으로 작용하는 결과임이 시뮬레이션 결과 및 해석을 통해 확인되었다. 따라서 단순 소음저감 성능 중심의 설계 관행에서 벗어나, 자재의 방화 성능 및 구조의 환기·피난 성능을 고려한 다층적 안전설계 접근이 필요하다.
 본 연구는 방음터널의 화재위험성을 정량적으로 규명하였다는 점에서 학문적·실무적으로 의의를 가지며, 자재 선정 및 설계 기준 마련을 위한 기초자료로 활용될 수 있다. 다만 본 연구는 시나리오 기반의 수치해석에 한정되어 있으므로, 향후에는 실규모 실화재 실험과 복합 위험요소를 반영한 고도화된 연구가 추가로 필요할 것이다.

Figure

Table

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