GFRP锚杆用于地下水封储油洞库支护可行性分析

张欣然 韩 磊 马纯杰

(1.寿光市建筑设计研究院有限责任公司，山东 潍坊 261000；2.山东景城建筑规划设计有限公司，山东 潍坊 261000； 3.潍坊市建筑设计研究院有限责任公司，山东 潍坊 261000)

0 引言

石油是使国民经济能够顺利发展的战略性资源。随着当前社会迅猛发展，国家对于原油产品的消耗量日益增加，我国对原油产品进口依赖程度较高，目前国家石油原油净进口量已经超过国内原油消耗总量的50%，当前国际冲突加剧，能源短缺问题或将成为制约国家经济发展的关键所在。石油原油的储备一直是国家重大发展战略目标，早在20世纪末，国内一些行业专家建议建立国家战略石油储备体系，这一建议得到了高度重视，地下储油洞库技术也正式发展开来[1]。经过多年研究发展，地下水封储油洞库技术已逐渐踏上正轨，目前国内已有多所大型地下储油洞库投入使用。

地下水封储油洞库洞体设计、施工的关键问题即洞体内壁岩体稳定性问题[2]。钢筋锚杆对于地下水封储油洞库内壁岩层的稳定性具有一定支护作用，但是其极易锈蚀、重量大等特点使其支护作用具有极大局限性，非金属材料GFRP锚杆或可成为地下水封储油洞库内壁岩层支护的新手段。但是当前GFRP锚杆用于地下水封储油洞库的研究尚未开展，亦无相关行业规范支撑。本文从地下水封储油洞库内壁岩体稳定性、GFRP锚杆特性等方面进行讨论，研究GFRP锚杆用于地下水封储油洞库内壁支护的可行性。

1 地下水封储油洞库内壁岩层稳定性研究

1.1 地下水封储油洞库简介

地下水封储油洞库是以地表之下一定深度处的天然岩体为载体，开凿一定形状、尺寸的洞体作为原油储存空间，洞体以外岩体缝隙中的地下水或者是人工设置的水幕墙堵封住油气外泄途径，视为“水封”，因水油两种介质不相溶，且地下水压高于油压，可保证油气封存完好。洞库开挖时在其内预先设置进油、抽油、抽水管道，此整体结构即为地下水封储油洞库，其密封原理图如图1所示。

1.2 地下水封储油洞库内壁岩体稳定性研究

根据对实际地下水封储油洞库研究发现，洞库的整体稳定性由岩体强度及其变形特征、洞库周边岩体应力集中状况两大要素控制，其核心问题仍为洞库岩石完整性。由于开挖洞库尺寸一般较大，开挖后洞库内裸露的岩层在长期服役过程中可能会有岩体发生位移的问题，为降低这一影响，对于较大尺寸洞库开挖一般采取分段开挖的方式，在分段开挖的同时，对洞库内岩层进行的支、护等一系列措施，可有效降低岩体整体稳定性的影响。所谓支是指用钢筋锚杆将洞库内壁岩层稳住，控制岩体的位移；所谓护是指用钢筋锚杆让岩体整体受力，提高其承载能力，但是钢筋锚杆自身的局限性制约着其对地下储油洞库支护的发展。

2 GFRP锚杆特性研究

2.1 GFRP锚杆材料组成

GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)是玻璃纤维增强塑料的简称，是由树脂和玻璃纤维合成的一种无机新型非金属材料。GFRP锚杆是由GFRP材料加工而成的锚杆，根据其掺合料中树脂及玻璃纤维含量的不同，其强度也随之产生变化。一般来说，玻璃纤维含量越高，其强度也越大，但是其最终挤压成型的难度也越大，因此工程上一般根据其具体的需要来调整树脂和玻璃纤维的比例，以生产出最优的GFRP锚杆，图2为工程常用GFRP锚杆实物图。

2.2 GFRP锚杆相比传统锚杆的优点

GFRP锚杆因其自身组成材料特性使其具有传统金属锚杆所不具备的优势。GFRP锚杆为无机材料组成，其比重较之金属类锚杆要轻的多，使其具有使用方便、便于运输、节约运输成本等优势；GFRP锚杆弹性模量、膨胀系数与混凝土类似，与混凝土的变形相协调能够使锚杆及锚固体协调工作；GFRP锚杆具有良好的抗腐蚀性，能够极大提高锚固结构耐久性。

GFRP锚杆因其抗腐蚀、强度高、重量轻等特点被广泛用于隧道、地铁等地下结构物的防护工程中。

2.3 GFRP锚杆用于地下水封储油洞库的可行性

地下水封储油洞库内壁岩体的稳定性可以在洞体开挖过程中通过使用钢筋锚杆锚固的方式加以提高，但是钢筋锚杆支护作用的局限性很大，GFRP锚杆相比于钢筋锚杆其特性可以很好的弥补钢筋锚杆的缺点。钢筋锚杆在地下水封条件下难免会处于潮湿状态，长此以往钢筋会逐步锈蚀，其支护效果大为降低，GFRP锚杆为非金属材料可以忽略潮湿环境所造成的影响；钢筋锚杆重量较大，在进行洞体顶部岩体锚固支护时其自身重量是一个必须要考虑的因素，钢筋太重会对顶部岩体产生向下的拉力，影响顶部岩体的稳定；选择直径较细的钢筋其重量减轻但其强度降低，支护效果也会受到影响，相比来说，GFRP锚杆的强度比同等截面的普通钢筋强度要高，但其重量却远低于钢筋锚杆，可以代替钢筋锚杆对地下储油洞库进行支护。

当前对于GFRP锚杆用于施工的相关规范还未落实，地下水封储油洞库施工的发展还未完善，GFRP锚杆用于地下水封储油洞库的研究尚处于空白状态，仅有的一些研究大多停留在数值模拟分析方面，对于将GFRP锚杆用于地下水封储油洞库进行支护的研究亟待开展。

3 结语

地下水封储油洞库的发展建设是国家能源发展战略的重要一步，通过对地下水封储油洞库储油原理、内壁岩体稳定性及GFRP锚杆特性进行研究分析发现GFRP锚杆可以用于地下水封储油洞库的支护，且其应用前景相当广泛。