일반적으로 터널설계 시 지하암반의 특성에 따라서 5개의 암반등급으로 분류한 후 일률적인 지보시스템을 결정하는데, 이는 암반의 특성이 균일하다는 가정을 전제로 하고 있다. 그러나 암반특성 혹은 등급이 종방향으로 변화될 경우 지보시스템 및 터널의 거동이 달리질 수밖에 없다.
또한, 국내터널 설계 및 시공 시 흔히 접할 수 있는 조건인 암반등급 변화부 구간 굴진 시 터널의 안정성과 거동에 대한 연구는 미진하다. 상대적으로 강성이 약한 암반굴착 시 발생되는 응력이 상대적으로 강성이 우수한 암반으로 전이되면서 터널의 변형 및 지보재에 작용하는 응력이 추가적으로 발생되기 때문에 암반등급 변화부 시공 시 안전사고의 위험성을 가지고 있다.
따라서, 본 연구에서는 3차원 수치해석을 통하여 NATM 터널시공에 있어서 암반등급 변화부 굴착 시 발생되는 천단 침하량을 예측하여, 터널의 거동을 평가하고 이를 통한 최적의 지보시스템을 결정하는데 활용하고자 하였다.
터널굴진 시 암반등급의 변화에 따라 발생되는 총 14Case에 대하여 시공순서를 고려한 3차원 해석을 수행하였으며, Influence Line과 Trend Line 개념을 활용하여 암반등급 변화부의 터널거동을 예측하였다.
암반등급이 종방향(터널굴착 진행방향)으로 변화되면 암반등급 변화부를 중심으로 강성이 약한 암반등급 구간에서 강성이 큰 암반등급 구간으로 0.20D~0.70D 범위로 응력전이(아칭효과)가 발생되는 것으로 분석되었다.
이러한 응력전이 현상으로 인하여 시공 중 추가적인 보강 및 지보시스템의 변화가 필요하나, 현장여건에 따라서 대처가 곤란할 수 있기 때문에 설계 시 이와 같은 응력전이 현상을 고려하여야 할 것으로 판단된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 기존의 방식과 동일하게 암반등급을 평가한 후 지보패턴 결정 시 암반등급 변화부를 중심으로 전방의 암반등급(유리한 암반등급) 방향으로 0.20D~0.70D를 후방의 암반등급에 적용된 지보패턴을 적용하는 방안이 가장 합리적인 것으로 연구되었다.