GFRP錨桿用于地下水封儲油洞庫支護可行性分析

張欣然 韓 磊 馬純杰

(1.壽光市建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，山東 濰坊 261000；2.山東景城建筑規(guī)劃設(shè)計有限公司，山東 濰坊 261000； 3.濰坊市建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，山東 濰坊 261000)

0 引言

石油是使國民經(jīng)濟能夠順利發(fā)展的戰(zhàn)略性資源。隨著當(dāng)前社會迅猛發(fā)展，國家對于原油產(chǎn)品的消耗量日益增加，我國對原油產(chǎn)品進口依賴程度較高，目前國家石油原油凈進口量已經(jīng)超過國內(nèi)原油消耗總量的50%，當(dāng)前國際沖突加劇，能源短缺問題或?qū)⒊蔀橹萍s國家經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵所在。石油原油的儲備一直是國家重大發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，早在20世紀末，國內(nèi)一些行業(yè)專家建議建立國家戰(zhàn)略石油儲備體系，這一建議得到了高度重視，地下儲油洞庫技術(shù)也正式發(fā)展開來[1]。經(jīng)過多年研究發(fā)展，地下水封儲油洞庫技術(shù)已逐漸踏上正軌，目前國內(nèi)已有多所大型地下儲油洞庫投入使用。

地下水封儲油洞庫洞體設(shè)計、施工的關(guān)鍵問題即洞體內(nèi)壁巖體穩(wěn)定性問題[2]。鋼筋錨桿對于地下水封儲油洞庫內(nèi)壁巖層的穩(wěn)定性具有一定支護作用，但是其極易銹蝕、重量大等特點使其支護作用具有極大局限性，非金屬材料GFRP錨桿或可成為地下水封儲油洞庫內(nèi)壁巖層支護的新手段。但是當(dāng)前GFRP錨桿用于地下水封儲油洞庫的研究尚未開展，亦無相關(guān)行業(yè)規(guī)范支撐。本文從地下水封儲油洞庫內(nèi)壁巖體穩(wěn)定性、GFRP錨桿特性等方面進行討論，研究GFRP錨桿用于地下水封儲油洞庫內(nèi)壁支護的可行性。

1 地下水封儲油洞庫內(nèi)壁巖層穩(wěn)定性研究

1.1 地下水封儲油洞庫簡介

地下水封儲油洞庫是以地表之下一定深度處的天然巖體為載體，開鑿一定形狀、尺寸的洞體作為原油儲存空間，洞體以外巖體縫隙中的地下水或者是人工設(shè)置的水幕墻堵封住油氣外泄途徑，視為“水封”，因水油兩種介質(zhì)不相溶，且地下水壓高于油壓，可保證油氣封存完好。洞庫開挖時在其內(nèi)預(yù)先設(shè)置進油、抽油、抽水管道，此整體結(jié)構(gòu)即為地下水封儲油洞庫，其密封原理圖如圖1所示。

1.2 地下水封儲油洞庫內(nèi)壁巖體穩(wěn)定性研究

根據(jù)對實際地下水封儲油洞庫研究發(fā)現(xiàn)，洞庫的整體穩(wěn)定性由巖體強度及其變形特征、洞庫周邊巖體應(yīng)力集中狀況兩大要素控制，其核心問題仍為洞庫巖石完整性。由于開挖洞庫尺寸一般較大，開挖后洞庫內(nèi)裸露的巖層在長期服役過程中可能會有巖體發(fā)生位移的問題，為降低這一影響，對于較大尺寸洞庫開挖一般采取分段開挖的方式，在分段開挖的同時，對洞庫內(nèi)巖層進行的支、護等一系列措施，可有效降低巖體整體穩(wěn)定性的影響。所謂支是指用鋼筋錨桿將洞庫內(nèi)壁巖層穩(wěn)住，控制巖體的位移；所謂護是指用鋼筋錨桿讓巖體整體受力，提高其承載能力，但是鋼筋錨桿自身的局限性制約著其對地下儲油洞庫支護的發(fā)展。

2 GFRP錨桿特性研究

2.1 GFRP錨桿材料組成

GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)是玻璃纖維增強塑料的簡稱，是由樹脂和玻璃纖維合成的一種無機新型非金屬材料。GFRP錨桿是由GFRP材料加工而成的錨桿，根據(jù)其摻合料中樹脂及玻璃纖維含量的不同，其強度也隨之產(chǎn)生變化。一般來說，玻璃纖維含量越高，其強度也越大，但是其最終擠壓成型的難度也越大，因此工程上一般根據(jù)其具體的需要來調(diào)整樹脂和玻璃纖維的比例，以生產(chǎn)出最優(yōu)的GFRP錨桿，圖2為工程常用GFRP錨桿實物圖。

2.2 GFRP錨桿相比傳統(tǒng)錨桿的優(yōu)點

GFRP錨桿因其自身組成材料特性使其具有傳統(tǒng)金屬錨桿所不具備的優(yōu)勢。GFRP錨桿為無機材料組成，其比重較之金屬類錨桿要輕的多，使其具有使用方便、便于運輸、節(jié)約運輸成本等優(yōu)勢；GFRP錨桿彈性模量、膨脹系數(shù)與混凝土類似，與混凝土的變形相協(xié)調(diào)能夠使錨桿及錨固體協(xié)調(diào)工作；GFRP錨桿具有良好的抗腐蝕性，能夠極大提高錨固結(jié)構(gòu)耐久性。

GFRP錨桿因其抗腐蝕、強度高、重量輕等特點被廣泛用于隧道、地鐵等地下結(jié)構(gòu)物的防護工程中。

2.3 GFRP錨桿用于地下水封儲油洞庫的可行性

地下水封儲油洞庫內(nèi)壁巖體的穩(wěn)定性可以在洞體開挖過程中通過使用鋼筋錨桿錨固的方式加以提高，但是鋼筋錨桿支護作用的局限性很大，GFRP錨桿相比于鋼筋錨桿其特性可以很好的彌補鋼筋錨桿的缺點。鋼筋錨桿在地下水封條件下難免會處于潮濕狀態(tài)，長此以往鋼筋會逐步銹蝕，其支護效果大為降低，GFRP錨桿為非金屬材料可以忽略潮濕環(huán)境所造成的影響；鋼筋錨桿重量較大，在進行洞體頂部巖體錨固支護時其自身重量是一個必須要考慮的因素，鋼筋太重會對頂部巖體產(chǎn)生向下的拉力，影響頂部巖體的穩(wěn)定；選擇直徑較細的鋼筋其重量減輕但其強度降低，支護效果也會受到影響，相比來說，GFRP錨桿的強度比同等截面的普通鋼筋強度要高，但其重量卻遠低于鋼筋錨桿，可以代替鋼筋錨桿對地下儲油洞庫進行支護。

當(dāng)前對于GFRP錨桿用于施工的相關(guān)規(guī)范還未落實，地下水封儲油洞庫施工的發(fā)展還未完善，GFRP錨桿用于地下水封儲油洞庫的研究尚處于空白狀態(tài)，僅有的一些研究大多停留在數(shù)值模擬分析方面，對于將GFRP錨桿用于地下水封儲油洞庫進行支護的研究亟待開展。

3 結(jié)語

地下水封儲油洞庫的發(fā)展建設(shè)是國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要一步，通過對地下水封儲油洞庫儲油原理、內(nèi)壁巖體穩(wěn)定性及GFRP錨桿特性進行研究分析發(fā)現(xiàn)GFRP錨桿可以用于地下水封儲油洞庫的支護，且其應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛。