Беспилотное строительство с использованием роторной буровой установки: дистанционное управление и автоматическое формирование скважин открывают новые перспективы для строительства свайных фундаментов.

В условиях ускоренной интеллектуальной и цифровой трансформации строительной техники, а также растущих требований к точности, эффективности, безопасности и охране окружающей среды в инфраструктурных проектах, беспилотное строительство с использованием роторных буровых установок перешло из стадии технологических исследований в практическое применение, став ключевым направлением решения проблем традиционного свайного фундаментостроения и способствуя высококачественному развитию отрасли. Традиционное строительство с использованием роторных буровых установок в значительной степени зависит от профессиональных операторов и подвержено влиянию таких факторов, как опыт человека, условия работы и трудозатраты, что может приводить к неравномерной точности бурения, колебаниям эффективности и значительным угрозам безопасности. Эти недостатки особенно очевидны в условиях строительства с высокими стандартами и высоким риском, таких как мосты высокоскоростных железных дорог, глубокие котлованы и отдаленные горные районы. Сегодня прорывы в ключевых технологиях, таких как дистанционное управление и автоматическое бурение, способствовали внедрению режима строительства «беспилотного, точного, эффективного и безопасного» с использованием роторных буровых установок. Это не только перестраивает процесс свайного фундаментостроения, но и закладывает прочную основу для интеллектуальной модернизации будущего инфраструктурного строительства. В данной статье рассматривается история развития отрасли, подробно анализируются основные технологии, практическое применение, существующие узкие места и будущие тенденции беспилотного строительства буровых установок роторного типа, а также всесторонне рассматривается вопрос о том, как беспилотное строительство может расширить возможности проектирования свайных фундаментов для повышения качества и эффективности.

Отраслевая ситуация: Интеллектуальная трансформация является движущей силой, и беспилотное строительство стало неизбежной тенденцией.

В настоящее время инфраструктурные проекты в Китае развиваются в направлении масштаба, усовершенствования и экологичности. Ключевые проекты, такие как высокоскоростные железнодорожные мосты, городские железнодорожные системы и высотные здания, предъявляют беспрецедентные требования к точности, эффективности и безопасности строительства свайных фундаментов. Традиционные методы буровая установка роторного типа У такого способа строительства много проблем: во-первых, наблюдается большая нехватка квалифицированных операторов, длительный период обучения, а также высокая трудоемкость и риски для безопасности, связанные с длительными работами на большой высоте, что затрудняет удовлетворение потребностей крупномасштабного строительства; во-вторых, ошибки, допускаемые человеком, легко приводят к чрезмерной вертикальности и отклонению диаметра скважины, влияя на несущую способность свайного фундамента и увеличивая затраты на переделку; в-третьих, сложно обеспечить мониторинг в реальном времени и точный контроль параметров в процессе строительства, а эффективность значительно зависит от опыта операторов, что затрудняет контроль сроков строительства; в-четвертых, в суровых условиях, таких как высокие температуры, сильный холод, большая высота, а также в токсичных и вредных средах, целесообразность ручного строительства низка, что легко приводит к задержке сроков проекта. В этом контексте сочетание передовых технологий, таких как Интернет вещей, большие данные, искусственный интеллект и позиционирование Beidou, для развития беспилотного строительства с использованием роторных буровых установок стало неизбежным выбором для решения проблем отрасли, повышения качества и эффективности строительства, а также снижения рисков для безопасности. Это также важный прорыв для интеллектуальной трансформации отрасли строительной техники.

Анализ основных технологий: дистанционное управление и автоматическое бурение, базовая поддержка беспилотного строительства.

В основе беспилотного строительства с использованием роторных буровых установок лежит взаимосвязь «дистанционного управления + автоматического бурения», основанная на интеграции множества технологий для достижения автоматизации, точности и визуального контроля всего процесса строительства, что исключает зависимость от ручных операций на строительной площадке. Эти две ключевые технологии поддерживают друг друга и работают вместе, образуя техническую систему для беспилотного строительства, обеспечивая соответствие качества и эффективности строительства обоим стандартам.

Технология дистанционного управления: преодоление пространственных ограничений и обеспечение точного дистанционного управления.

Технология дистанционного управления является «центральным звеном» в беспилотном строительстве буровых установок. Благодаря интеграции таких технологий, как высокоточное позиционирование Beidou, 5G/промышленный интернет и терминалы дистанционного управления, операторы могут управлять буровыми установками из разных диспетчерских пунктов во всех направлениях, преодолевая ограничения по пространству и избегая рисков, связанных с работой на площадке. Ее основные преимущества проявляются в трех аспектах: во-первых, визуальный мониторинг в реальном времени. Благодаря камерам высокого разрешения, датчикам и другому оборудованию, установленному на буровой установке, буровая установкаВо-первых, это точное управление, основанное на использовании системы позиционирования Beidou, которая обеспечивает точность позиционирования буровой установки до сантиметра. Благодаря дистанционной платформе можно точно контролировать такие параметры, как подъем буровой штанги, скорость, крутящий момент и т.д., избегая ошибок, связанных с человеческим фактором. Во-вторых, это совместное управление несколькими буровыми установками. Платформа дистанционного управления позволяет централизованно управлять несколькими роторными буровыми установками. Операторы могут гибко распределять оборудование в зависимости от хода строительства, оптимизировать компоновку площадки и повышать общую эффективность работ. В настоящее время технология дистанционного управления достигла прорыва, обеспечивая стабильное управление на расстоянии 10-50 километров, а некоторые высокотехнологичные установки позволяют осуществлять дистанционное управление на расстоянии до 100 километров, что подходит для отдаленных горных районов, строительства в смежных регионах и других сценариев.

Технология автоматического формирования пор: использование интеллектуальных алгоритмов для достижения точного и эффективного формирования пор.

Технология автоматического бурения является «основным исполнительным блоком» беспилотного строительства с использованием роторных буровых установок. Благодаря интеграции алгоритмов геологического распознавания, технологии автоматического управления и технологии адаптивной настройки параметров, она обеспечивает полную автоматизацию процесса от позиционирования, бурения и очистки скважины до формирования скважины без ручного вмешательства, значительно повышая точность и эффективность формирования скважины. Основной процесс можно разделить на три этапа: первый – точное позиционирование на начальном этапе, с использованием системы позиционирования Beidou и технологии сканирования местности на месте для автоматического сопоставления с проектными координатами свайного фундамента, точного определения места бурения и контроля погрешности в пределах ± 3 см для обеспечения полного соответствия проектным требованиям; второй – адаптивное бурение. Геологические датчики, установленные на буровой установке, обеспечивают точное определение места бурения и контролируют погрешность в пределах ± 3 см, гарантируя полное соответствие проектным требованиям; второй – адаптивное бурение. буровая установка Система способна в режиме реального времени распознавать тип породы (мягкий грунт, песчаный слой, выветренная порода, твердая порода и т. д.) и передавать данные в интеллектуальную систему управления. Система автоматически регулирует скорость, крутящий момент, скорость бурения, параметры бурового раствора и т. д. с помощью заданных алгоритмов, адаптируется к различным геологическим условиям, предотвращает такие проблемы, как застревание бурового раствора, заглубление бурового раствора и обрушение стенок скважины, и обеспечивает «геологическую адаптацию и самооптимизацию параметров». Третий этап — автоматическая очистка скважины и определение типа породы. После бурения на проектную глубину система автоматически запускает операцию очистки скважины и удаляет осадок со дна скважины с помощью системы циркуляции бурового раствора, обеспечивая соответствие толщины осадка требованиям спецификации. Одновременно автоматически определяются диаметр скважины, вертикальность и другие показатели. При обнаружении отклонений параметры автоматически корректируются для обеспечения соответствия качества скважины стандарту.

Техническая поддержка: интеграция различных технологий для обеспечения стабильной работы беспилотного строительства.

Стабильная работа беспилотных буровых установок роторного типа зависит от совместной поддержки вспомогательных технологий, в основном включающих интеллектуальные технологии восприятия, технологии передачи данных и технологии эксплуатации и технического обслуживания оборудования. Интеллектуальные сенсорные технологии собирают в режиме реального времени параметры работы буровой установки, геологические данные и данные об окружающей среде с помощью таких устройств, как датчики давления, датчики перемещения и геологические датчики, обеспечивая поддержку данных для дистанционного управления и автоматического бурения; технология передачи данных использует высокоскоростную сеть 5G или промышленный интернет для обеспечения передачи данных в режиме реального времени, высокой скорости и стабильности, предотвращения ошибок в работе, вызванных задержкой данных, и обеспечения синхронизации дистанционного управления; технология эксплуатации и технического обслуживания оборудования использует интеллектуальные системы мониторинга для отслеживания в режиме реального времени состояния основных компонентов, таких как двигатели буровой установки, гидравлические системы, бурильные штанги и буровые ковши, обеспечивая раннее предупреждение о потенциальных неисправностях и достигая интеллектуальной эксплуатации и технического обслуживания оборудования, сокращая время простоя, вызванное неисправностями, и обеспечивая непрерывность строительства. Кроме того, применение технологии BIM позволяет осуществлять цифровое моделирование свайных фундаментов, объединяя проектные чертежи с данными о строительстве на площадке для обеспечения визуального контроля и точного планирования строительного процесса, что еще больше повышает уровень интеллектуальности беспилотного строительства.

Практические сценарии применения: охват различных областей, решение проблем в строительстве.

В настоящее время беспилотное бурение с использованием роторных буровых установок применяется в различных областях, таких как мосты высокоскоростных железных дорог, городской железнодорожный транспорт, высотные здания и удаленная горная инфраструктура. Благодаря преимуществам точности, эффективности и безопасности, оно решило многие проблемы традиционных методов строительства и получило широкое признание в отрасли. При строительстве свайных фундаментов мостов высокоскоростных железных дорог беспилотные роторные буровые установки позволяют точно контролировать вертикальность и отклонение диаметра скважины, соответствуя строгим стандартам, предъявляемым к свайным фундаментам высокоскоростных железных дорог. В то же время, возможность совместной работы нескольких устройств значительно повышает эффективность строительства и сокращает сроки его выполнения. Например, в проекте высокоскоростной железной дороги эффективность бурения одной скважины с помощью беспилотных роторных буровых установок увеличилась более чем на 301 тонну по сравнению с традиционным ручным управлением, а процент качества скважин достиг 1001 тонны. В отдаленных горных или высокогорных районах беспилотное строительство позволяет избежать рисков высотной болезни и неблагоприятных погодных условий, с которыми сталкиваются операторы, обеспечивает «беспилотное и дистанционное управление» и гарантирует бесперебойное продвижение строительства; при строительстве городских железнодорожных линий и свайных фундаментов высотных зданий беспилотные буровые установки позволяют обеспечить бесшумную работу в ночное время, снизить уровень шума и пыли, соответствующих требованиям охраны окружающей среды в городах, и уменьшить воздействие на жителей окрестных районов.

Существующие препятствия: технологии, стоимость и стандарты, ограничивающие крупномасштабное продвижение.

Несмотря на прорыв в строительстве беспилотных роторных буровых установок, на пути их широкомасштабного внедрения все еще существуют три основных препятствия, и отрасли необходимо продолжать двигаться вперед. Во-первых, еще есть возможности для улучшения основных технологий, и точность геологической идентификации все еще нуждается в оптимизации в особых геологических условиях, таких как сложный карст и развитие трещин. Стабильность дистанционного управления легко подвержена влиянию сетевых сигналов, и необходимо повысить адаптивность оборудования к экстремальным условиям; Во-вторых, относительно высока стоимость оборудования. Беспилотные роторные буровые установки требуют установки большого количества интеллектуальных устройств, датчиков и систем управления, а производственные затраты на 301-501 тонну выше, чем у традиционных буровых установок. В то же время, последующие эксплуатационные и технические расходы также относительно высоки, что затрудняет их приобретение для некоторых малых и средних строительных предприятий и ограничивает темпы внедрения; В-третьих, отраслевые стандарты еще не совершенны. В настоящее время в Китае еще не разработаны единые технические стандарты, эксплуатационные характеристики и стандарты приемки качества для беспилотного строительства роторных буровых установок. Разные предприятия используют разные технические подходы, что приводит к неравномерному качеству строительства и препятствует стандартизации отрасли.

Тенденция развития приложений в будущем: технологическая итерация и модернизация, способствующие высококачественному развитию отрасли.

Благодаря непрерывному развитию таких технологий, как искусственный интеллект, большие данные и Интернет вещей, беспилотное строительство с использованием роторных буровых установок будет развиваться в направлении «умнее, эффективнее, экологичнее и более эффективно». Будущие сценарии применения будут расширяться и станут основным методом строительства свайных фундаментов. Во-первых, это непрерывная оптимизация технологий, повышение точности алгоритмов геологического распознавания, что позволит осуществлять точную идентификацию в реальном времени и адаптивную настройку параметров сложной геологии. Технология дистанционного управления преодолеет сетевые ограничения, обеспечивая более длительное и стабильное управление. В то же время значительно улучшится устойчивость оборудования к экстремальным условиям; во-вторых, постепенно снижаются затраты. Благодаря локализации и крупномасштабному производству основных компонентов, производственные и эксплуатационные расходы на беспилотные роторные буровые установки будут постепенно снижаться, что принесет пользу большему числу малых и средних строительных предприятий и будет способствовать их масштабному внедрению; в-третьих, это интеллектуальное взаимодействие нескольких устройств. В будущем планируется внедрение системы беспилотного управления вспомогательным оборудованием для строительства свайных фундаментов, таким как буровые установки, краны и бетонолитейное оборудование, а также создание «кластера беспилотного строительства» для автоматизации и интеллектуального управления всем строительным процессом; четвертое направление – интеграция концепции «зеленого» развития. Беспилотные буровые установки будут дополнительно оптимизированы с точки зрения энергосбережения и оснащены новыми энергетическими системами для снижения энергопотребления и выбросов углекислого газа. В то же время, благодаря точному контролю параметров строительства, будет сокращено количество отходов бурового раствора и загрязнение окружающей среды, что позволит достичь «зеленого» строительства; пятое направление – постепенное совершенствование отраслевых стандартов. Соответствующие ведомства ускорят внедрение единых технических стандартов, эксплуатационных характеристик и стандартов приемки качества, будут способствовать стандартизации разработки беспилотных буровых установок и окажут помощь в интеллектуальной и «зеленой» трансформации строительной отрасли.

Ценность для отрасли: Перестройка модели строительства для поддержки высококачественного развития инфраструктуры.

Внедрение и использование беспилотных буровых установок не только восстанавливает традиционный способ строительства свайных фундаментов, но и имеет важное значение для высококачественного развития инфраструктурной отрасли. С точки зрения эффективности, беспилотное строительство преодолевает ограничения ручного управления, обеспечивая круглосуточную непрерывную работу, повышая эффективность бурения одной скважины более чем на 301 тонну, значительно сокращая сроки строительства и снижая трудозатраты; с точки зрения качества, благодаря точному автоматическому управлению и оптимизации параметров, значительно повышается точность и стабильность формирования пор, снижаются затраты на переделки и обеспечивается структурная безопасность свайных фундаментов; с точки зрения безопасности, необходимо обеспечить, чтобы операторы находились вдали от строительной площадки, избегали рисков для безопасности, таких как работа на высоте и в суровых условиях, и снижали количество несчастных случаев; с точки зрения экологии, благодаря точному контролю количества бурового раствора и строительного шума, можно снизить загрязнение окружающей среды и выполнить требования «зеленого» строительства. В долгосрочной перспективе беспилотное строительство с помощью буровых установок будет способствовать трансформации отрасли свайного фундаментостроения от «ручного управления» к «интеллектуальному управлению», повысит общий уровень интеллектуальности отрасли и окажет мощную поддержку высококачественному развитию инфраструктурных проектов в Китае.