2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

327

7-5 터널 임시환기시설 설계기준 수립 설 계 처-1173

(2013. 4. 19)

I 검토목적

터널 임시환기시설의 소요 환기량 산정결과와 설계 적용 용량,

현장 운영설비가 상이하게 운영되고 있어, 현장조사결과를 반영한

합리적인 설계기준을 수립하고자 함

※ 감사지적내용 (2011.07, 상주안동건설사업단 종합감사)

- 터널 공사중 임시환기시설에 대한 전반적인 설계기준 수립 필요

Ⅱ 추진경위

□ 2002.03.08 노동부 안전점검(충주지방노동사무소→충청지역본부)

- 별도계상 비용을 포함하여 안전관리비 재산정토록

시정명령(동이~청성 2공구)

□ 2002.05.09 질의 회신(노동부→도공)

- 별도계상 비용이 안전관리비에 해당할 경우 안전관리비

대상액에서 공제함이 타당

□ 2002.07.05 산업안전보건관리비 적용기준 검토(설계설10201-327)

- 안전관리비 산정시 별도계상 항목 삭제

(임시환기시설비용 안전관리비에서 전용)

□ 2006.04.07 질의 회신 (노동부→범양건영)

- 임시환기시설비용이 안전관리비를 초과하고 현장안전

관리활동에 최소한의 비용이 필요하므로, 계약자간의

협의로 설계내역에 포함이 바람직

□ 2006.05.03 질의 회신 (노동부→도공)

- 공사용 환기시설로보아설계에 반영하는것이타당

□ 2006.12.15 터널 임시 환기 시설비 적용방안 검토(설계처-3301)

- 터널 임시 환기시설비용 별도계상 반영

- 연장 500m 미만 터널 안전관리비 사용

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

328

Ⅲ 관련기준 및 문제점

□ 기관별 설계기준

구 분 내 용

한국도로공사 ․구체적인 설계 기준 없음

국 토

교통부

터널설계기준

(2007)

․환기설비 계획 시 기본 기준 제시(구체적 계산식 미제시)

․소요 환기량 개념 제시(임시환기시설 설계시 기준값)

☞ 병행 작업 되는 개별 환기량의 합 중 최대값

도로설계편람

(2011, 터널)

․개별 환기량 계산식 제시(소요환기량 개념 미언급)

․축류팬 및 풍관 산정식 제시

․환기방식의 개요 및 장단점 제시

국도건설공사

설계실무요령

(2008)

․임시환기설비 제원 제시(동일 규격 일괄 적용)

․작업일수 제시(굴착일과 동일)

한국

철도

시설

공단

철도설계기준

(2011)

․환기설비 계획 시 기본 기준 제시(구체적 계산식 미제시)

․소요 환기량 개념 제시(환기 설계시 기준값)

☞ 병행 작업 되는 개별 환기량의 합 중 최대값

철도설계편람

(2004, 토목편)

․개별 환기량 산정식 및 소요 환기량 조합식 제시

․축류팬 및 풍관 산정식 제시(도로설계편람과 일부 상이)

․환기방식의 개요 및 장단점 제시

□ 문제점

o 터널 임시환기시설에 대한 설계기준 불명확

- 현재 터널 연장별 개략 검토사례에 따라 설계 적용중임[붙임#1]

- 타 기관의 경우 설계 기준을 제시하고 있으나, 산정식 등 세부 기준상이

o 산정식을 통한 임시설비 용량과 단가 및 현장 적용설비 상이

- 검토, 설계, 현장에 적용하는 축류팬 용량이 서로 상이함

- 단가에 손료 적용시 구입단가 초과 등 부적정 사례 발생

- 단터널(500m 미만)에서 환기시설을 실제 설치하나, 설계 미반영

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

329

Ⅳ 시공사례 조사 및 분석

□ 임시환기시설 주요 인자

o 환기방식 (터널연장 200m 미만은 자연환기 방식 적용)

송기식 배기식 송 배기식

- 현장 전경

송기식 송 배기식 이동식집진기

o 축류팬 및 덕트(풍관)

- 현장 전경

축류팬(가대 포함) 축류팬(가대 미포함) 환기덕트(풍관)

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

330

□ 현장 조사 결과

o 현장 설문 및 분석

- 대 상 : 현재 시공중인 117개 터널(9개 사업단)

- 기 간 : 2013. 2.21 ~ 3.12

※ 현장방문조사 : 상주~안동 등 3개 건설사업단(2013.4.10~4.12)

o 분석 결과 [붙임#2]

구 분	내 용
환기 방식	․터널연장과 관계없이 대부분의 현장에서 송기식 적용 ☞ 사갱 구간에서만 송 배기식 적용, 일부 현장 분진저감장치 적용 ․자연환기식(200m미만 터널)으로 임시환기설비가 미반영되었어도 많은 현장에서 임시환기시설 적용 (설문결과 59%) * 500m미만 단터널 안전관리비 집행(설계미반영)으로 현장 민원발생 ․분진저감시설은 굴착 연장보다는 현장여건에 따라 적용하고있음 (500~2,000m 사이에 집중)
축류팬	․현장에 설치되는 축류팬 용량은 굴착 연장과 특별한 연관이없음 ☞ 협력사 보유 축류팬 우선 사용 등의 사유로 판단됨 ․임시환기설비는 대부분 굴착연장 100m 이내에서 설치됨(설문결과 95%) ․축류팬 가동시간은 20시간 이상이 대부분임(설문결과 57%)
덕트등	․풍관 연장은 터널 연장보다 짧은 경우가 많음(설문결과 52%) ․축류팬과 풍관을 연결하는 스파이럴덕트는 대부분 미설치 (설문결과 83%)

 

 

 

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

331

Ⅴ 설계 기준 수립

1. 터널 임시환기설비 용량 산정기준 수립

2. 현장 실태를 반영한 세부 설계기준 수립

 터널 임시환기설비 용량 산정기준 수립

□ 소요 환기량 산정 [붙임#3]

o 산정기준 명확화 (환기설비 용량 산정시 가장 중요한 인자)

- 터널설계기준의 소요 환기량 개념 수식화 및 세부 산정식 제시

Qreq = Max(Q2, Q1+Q3, Q1+Q4)

여기서, Qreq : 소요환기량(㎥/min)

Q1 : 작업원이 필요로 하는 환기량(㎥/min) Q2 : 발파가스에 대한 환기량(㎥/min)

Q3

: 내연기관에 대한 환기량(㎥/min) Q4 : 분진에 대한 환기량(㎥/min)

※ 암반 및 지반 자체의 유독가스 발생이 예상되는 경우 추가 검토 필요

※ 유해가스 규제 농도 등 관련 기준 변경시 변경기준 적용

□ 환기설비 용량 산정 [붙임#4]

o 세부 산정식 제시를 통해 터널별 적정 환기설비 반영 유도

- 축류팬 풍량(Qf)

- 환기덕트(풍관)의 직경(D)

- 축류팬 풍압(hf)

- 축류팬 동력(N'f)

※ 도로설계편람 터널편(2011, 국토부)의 세부 산정식 준용

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

332

 현장 실태를 반영한 세부 설계기준 수립

□ 환기방식

o 송기식 적용 : 굴착연장 100m 이상

- 사갱을 제외한 일반터널에 배기식, 송 배기식 적용사례 없음

- 사갱 등 특수여건은 송 배기식 등 환기방식 별도 검토 필요

- 굴착연장 100m 이상 임시환기시설비용 별도 계상

구분 당 초 개 선

환기

방식

200m 이하 자연환기

연장에 따라 송기식+집진기,

송 배기식+집진기 적용

단터널(500m 미만) 및 편측 굴착

200m 이하 안전관리비 적용

100m 미만 자연환기

송기식 우선 적용

(사갱 등 특수여건 별도 검토)

굴착연장 100m 이상 임시환기

시설 비용 별도 계상

o 분진저감시설 : 현장여건에 따라 설계자 판단

- 민원, 토사성분 과다지반, 작은 곡선반경 등 필요시 반영검토

구분 이동식 집진기 이동식 살수분무시스템

개

요

도

공법

개요

발파후 발생된 분진을 흡입하여

여과기를 통해 분진을 제거하고

깨끗한 공기를 배출하는 방식

발파와 동시에 살수분무에 의한

수막형성으로 비산먼지 확산을

방지하고 분진을 저감하는 방식

장

단

점

적용사례 다수

단면과 분진 발생량 등에 따라

용량 변경 필요

단일 사양으로 모든 단면적용 가능

적용 사례 적음

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

333

□ 축류팬

o 용량 및 가동시간

- 산정결과에 따른 적정용량 및 실가동시간 20시간/일 적용

구분 당 초 개 선

용량 및

가동시간

․연장에 따라 동일 규격으로

적용대수 증가

․가동시간 24시간/일 반영

․산정결과에 따른 적정용량

반영

․가동시간 20시간/일 반영

o 단가 개선

- 손료 적용, 구입단가 초과할 경우 구입단가 적용

구분 당 초 개 선

손료

(가대포함)

․시간당 1,343×10-7

․공기가 길어질 경우, 구입단가

초과 (13개월 이상)

․건설공사 표준품셈<모터> 적용

시간당(10-7)

상각비 정비비 관리비 계

744 207 537 1,488

※관리비는 일 최대 8시간으로 계산

․구입단가 초과시 구입단가 적용

□ 풍관 등 기타

o 환기덕트 수량

- 풍관 연장 : 굴착연장 - 30m(막장 이격거리)

- 풍관 부속자재(Steel wire 등) : 5m 간격 설치

- 대부분 미설치된 스파이럴덕트 제외(사갱 등 특수여건 별도 검토)

o 단가 개선

- 소모성인 재료 특성에 따라 재료비로 반영(당초 손료)

- 현 단가에 누락된 해체비(설치비의 40%) 추가 반영

구분 당 초 개 선

풍관 ․축류팬과 동일한 손료 적용

․파손을 감안하여 재료비 100% 및

잡재료 2% 반영

덕트공 ․설치비만 반영

․설치비+해체비(설치비 40%) 반영

* 건설공사 표준품셈 (배관류)

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

334

Ⅵ 기대효과 및 적용방안

□ 기대 효과

o 실제 현장여건을 반영한 합리적인 터널 임시환기시설 설계기준

수립으로 설계적용 및 현장관리 명확화

o 합리적인 단가 적용을 통해 단터널 현장 상생 도모 및 초장대 터널

공사비 절감 가능

o 설계중인 노선 적용시 공사비 약 15억원 절감 예상

* 적용대상 : 3개 노선, 61개 터널, 약 81km

※ 경제성 분석

- 굴착연장별 검토사례[붙임#1, #5] 비교

(단위:백만원)

연 장 100m 500m 1,000m 1,500m 2,000m 2,500m 3,000m

당 초 - 17 53 152 234 330 881

개 선 - 26 58 94 136 172 224

증 감 - 9 5 △58 △98 △158 △657

□ 적용 방안

o 현재 설계 중인 노선부터 적용

 

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

335

현재 적용중인 설계 기준 사례

구 분

터 널 연 장(굴착기준)

200m 500m 1,000m 1,500m 2,000m 2,500m 3,000m 3,500m 4,000m

굴착기간 3개월 5개월 9개월 13개월 17개월 23개월 30개월 38개월 50개월

환기방식

자연

환기

송기식 송기식 송기식

송기식

+

집진기

송기식

+

집진기

송배기

+

집진기

송배기

+

집진기

송배기

+

집진기

축류팬

수량

(개)

- 1 1 2 2 2

4

(송기3,

배기1)

6

(송기4,

배기2)

8

(송기5,

배기3)

금액

o 산출식(손율적용) : 축류팬 단가(24백만원)×1343×10^(-7)×팬대수

- 팬대수가 2대 이상일 경우 굴착기간 평균대수 적용

비닐

풍관

규격

(mm) - 1,000 1,200 1,300 1,400 1,500 1,500 1,500 1,500

수량

(m)

- 470 970 1,440 1,940 2,440 5,880 6,820 7,760

금액 o 산출식(손율적용) : 풍관 단가 × 1,343 × 10^(-7) × 풍관길이

집진기

수량 - - - - 1 1 1 1 1

금액 o 구입단가 적용: 120백만원

전력비 금액

o 전력비용 : 축류팬(기본요금+사용요금)+집진기(기본요금)

-기본요금 : 소요동력×축류팬수×단위기본요금×사용기간(월)

-사용요금 : 소요동력×축류팬수×사용요금×24시간/일×25일/월×사용기간(월)

* 사용기간 적용 : (기본요금) 굴착기간-굴착공제기간(3개월),

(사용요금) 축류팬 수량×0.5(개월)

검토조건

- 작업시간 : 24시간/일, 작업일수 : 25일/월

- 풍관 : 스파이럴덕트(팬설치 개소당 30m), 비닐풍관(그 외 구간 전체)

붙 임 #1

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

336

소요환기량 산정기준

□ 공사 중 환기설비 설계 흐름도

시 작

터널 굴착방식 선정

(일방향, 양방향 사갱 등)

환기방식 선정

(송기, 배기, 송배기)

분진저감장치

(장대터널, 민원예상구간)

설계 제원 입력 설계 허용 농도

·1발파당 화약량

·화약별 유해가스 발생량

·작업차량 대수, 출력(H.P)

·분진 발생량

·최대 작업인원

·유해가스 규제농도(NO, CO)

·분진허용치

소요환기량 산정

아니오

(2차)

MAX       

 : 작업인원에 대한 환기량  : 발파가스에 대한 환기량

 : 내연기관에 대한 환기량  : 분진에 의한 환기량

누풍에 의한 영향 검토

환기팬 풍량 산정

풍관 내 평균 유속 가정

아니오

(1차) 풍관 소요직경 산정

풍압 및 동력 산정

예

완료

붙 임 #3

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

337

□ 소요 환기량 산정

o 관련 기준

- 터널설계기준(2007, 국토부)

14.5 공사 중 설비

14.5.1 공사 중 환기설비 계획 시에는 다음 기준을 따라야 한다.

(1)공사 중의 환기량 산정은 터널의 연장을 고려하여 산정하여야 하며, 다음 사항을

고려하여야 한다.

① 터널 내 작업원이 필요로 하는 환기량

② 발파 후 가스에 대한 필요 환기량

③ 내연기관을 사용하는 경우의 환기량

④ 분진에 대한 환기량

(2)총 소요환기량은 병행작업이 예상되는 동종의 환기량 합량에 대하여 가장 큰

환기량을 적용하여야 한다.

o 소요 환기량 수식화

- 병행 작업을 감안하여 최대 환기량 산출

․발파 작업(발파가스)

․버력 처리(작업원 + 내연기관)

․숏크리트 타설(작업원 + 분진)

Qreq = Max(Q2, Q1+Q3, Q1+Q4)

여기서, Qreq : 소요환기량(㎥/min)

Q1 : 작업원이 필요로 하는 환기량(㎥/min) Q2 : 발파가스에 대한 환기량(㎥/min)

Q3

: 내연기관에 대한 환기량(㎥/min) Q4 : 분진에 대한 환기량(㎥/min)

※ 암반 및 지반 자체의 유독가스 발생이 예상되는 경우 추가 검토 필요

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

338

□ 세부 산정식 [도로설계편람-터널편(2011, 국토부) 준용]

o 작업원이 필요로 하는 환기량(Q1 ,㎥/min)

Q1 = q × N

여기서, q : 작업원 1인당 필요로 하는 환기량 (3.0 m3/min/인)

N : 터널내 최대 작업원수(인)

o 발파가스에 대한 환기량(Q2 ,㎥/min)

Q   × R⋅ ⋅ t

W ⋅ 

여기서, W : 1발파에 사용하는 화약량 (kg)

ε : 화약 1kg 당 유해가스 발생량 (m3/kg)

R : 팬(fan)의 용량(풍관의 설치위치 등에 따르는 계수)

α : 유해가스 규제 목표농도

t : 유해가스 농도를 허용농도 이하로 환기시키는데 필요시간(분)

- 화약 1kg 당 유해가스 발생량(ε)\

화약종류 유해가스 발생량[m3/kg] 비 고

일반 다이나마이트 일산화탄소(CO) 8 × 10-3

기타 다이나마이트 일산화탄소(CO) 11 × 10-3

슬러리(Slurry) 일산화탄소(CO) 2.5 × 10-3

ANFO 산화질소(NO2) 17 × 10-3

주) 폭약 1kg 당 환기유해가스 발생량은 일반적으로 상기표 값을 적용할 수 있으나, 해당 터널에서

사 용 되 는 폭약에 대하여 폭약 제조업체가 제시한 표준 발생량을 적용하는 것이 원칙임

- 팬의 용량(R)

․국소 환기용 팬 병용시 : 0.6

․병용하지 않는 경우 : 0.4

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

339

- 유해가스 규제 목표농도(α)[최근 법규 적용 가능]

구분

종류

예상하는

중독장해

밀도

(공기=1)

폭발범위

(vol %)

ACGIH의

규제목표치

일본법령상

규제치

고속도로공사

전문시방서

일산화탄소 (CO) 중독 0.95 12.5~74.0 50ppm 100ppm 100ppm

이산화탄소 (CO2) 산소결핍증 1.52 - 500ppm 1.5% 1.5%

이 산 화 질 소

(NO2)

중독 1.59 - 5ppm -

황화수소 (H2S) 중독 1.19 4.3 ~ 45 10ppm 15mg/㎥ 10ppm

아황산가스 (SO2) 중독 2.27 - 5ppm -

메탄가스 (CH4) 폭발 0.6 5.3 ~ 14 10,000ppm 1.5% 1.5%

산소 (O2) 산소결핍증 1.1 - - 18%

주) ACGIH : American Conference of Governmental Industrial Hygienists - 미국산업위생전문가회의

- 유해가스 농도를 허용농도 이하로 환기시키는데 필요시간(t) : 30분

* 터널공사표준안전작업지침(노동부 고시 2009-44호) 및 품셈 참조

o 디젤 기관을 사용하는 경우의 환기량(Q3 ,㎥/min)

Q3 = 내연기관 마력(HP) × 종별 가스발생량(m3/min/HP)

- 내연기관 종별 가스발생량

구 분

배기가스 처리장치 무

(㎥/min/HP)

배기가스 처리장치 유

(㎥/min/HP)

가동율 비 고

셔블계 2.16 1.08 0.2~0.3

덤프계 0.84 0.67 0.4~0.5

기관차계열 0.82 0.65 0.15~0.2

주) 1. 내연기관의 유해가스 발생량은 위 표를 기준으로 적용할 수 있으나, 해당 터널에서 사용되는

장비에 대하여 장비제조업체가 제시한 표준배출량을 적용하는 것을 원칙으로 함

2. 철도설계편람에서 적용중인 가동율 개념 적용

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

340

o 분진에 대한 환기량(Q4 ,㎥/min)

Q4 = W × D

여기서, W : 분진발생량 ( 25mg/㎥)

D : 기계의 배기가스량 (㎥/min)

α : 허용치 (mg/㎥)

- 광물성 분진의 규제 농도(대부분 제2종 적용)

구 분 분 진

일본에서의 규제농도(mg/㎥)

(일본산업위생학회)

제1종

날아 다니는 규산 30%이상의 광물성 분진,

골석, 납석, 알루미나, 알루미늄, 유화광(석선은

제외)

2

제2종

날아 다니는 규산 30% 미만의 광물성 분진,

산화철 흑연, 카본 block 활성탄 석탄

5

제3종 기타의 분진 10

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

341

환기설비 용량 산정기준

□ 축류팬 풍량

Qf =   m

Qreq =    × L× 

Qreq

여기서, Qf : 환기팬 풍량 (㎥/min)

Qreq : 소요환기량 (㎥/min)

m : 터널전장의 누풍률 ( = β× 

L )

β : 100m당 누풍율

- 경관(스파이럴 덕트 등) : 0.015

- 연관(비닐 덕트 등) : 0.015 (시공양호)

- 연관(비닐 덕트 등) : 0.04 (시공불량)

L : 풍관의 길이(m)

- 굴착길이 - 막장에서 풍관까지의 거리(30m)로 산정

□ 환기덕트(풍관)의 직경

D 

 





V

Qreq

여기서, D : 풍관의 직경(m)

Qreq : 소요환기량 (㎥/min)

V : 풍관내 평균유속(m/sec)

- 통상 : 10 ~ 12 m/sec

- 전단면 굴착시 여유가 있는 경우 : 5 ~ 7 m/sec

붙 임 #4

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

342

□ 축류팬 풍압(풍관의 압력손실)

hf =   m

h  h 

h1(직관) = λ × D

L ×  g

v

× r

h2(곡관 등) = Σ Ϛ × γ×  g

v

여기서, hf : 환기팬 풍압[풍관의 압력손실 (mmAq)]

λ : 마찰손실계수

- 경관 : 0.02(신품), 0.03(중고품)

- 연관 : 0.03 ~ 0.05

Ϛ : 곡관 등에서의 압력손실계수

m : 터널전연장의 누풍률

L : 풍관의 길이(m)

γ : 공기밀도(1.2kg/㎥)

g : 중력가속도 (9.8 m/sec2)

□ 축류팬 동력

N′f   

Qf × hf × n



× n



여기서, Qf : 환기팬 풍량 (㎥/min)

hf : 환기팬 풍압 (mmAq)

n1 : 팬 효율 (보통 80% 적용)

n2 : 전동기 효율 (보통 80% 적용)

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

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굴착연장별 임시환기시설 산정(예)

구 분

굴 착 연 장 (m)

100 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000

굴착기간주1) 1개월 5개월 10개월 15개월 20개월 25개월 30개월

환기방식주2) 자연환기 송기식 송기식 송기식 송기식 송기식 송기식

축류팬주3)

풍량(m3/분) - 554 603 661 731 818 929

풍압(mmAq) - 74 118 146 167 190 221

동력(kW) - 11 18 25 31 40 52

수량(개) - 1 1 1 1 1 1

비닐풍관

주4)

규격(mm) - 1,.100 1,200 1,300 1,400 1,500 1,600

수량(m) - 470 970 1,470 1,970 2,470 2,970

전력비 금액

- 사용요금 = 소요동력 x 사용요금 x 20시간/일 x 사용기간(개월)

☞ 사용기간 = 굴착기간 - 1개월(100m 굴착후부터 축류팬 설치)

비 고

- 비닐풍관길이 = 굴착연장 - 30m(막장 이격거리)

- 분진저감장치 : 민원, 원활한 분진 처리 여부 등 설계자 판단하에

적용(이동식 집진기, 이동식 살수분무장치 등)

주1) 굴착기간은 전구간 Type-3(굴진장2m), 2발파/일 로 가정하여 개략 산정

주2) 굴착연장 3km 초과 구간은 현장 여건에 부합하는 환기방식 및 축류팬, 풍관 규격 등을

별도로 산정하여야 함

주3), 주4) 단순 참고자료로, 현장 적용시에는 실제 계산값을 사용해야 함

붙 임 #5