一种关于不同季节确定冻土上限的方法及钻探装置

1.本发明涉及冻土测量技术领域，具体为一种关于不同季节确定冻土上限的方法及钻探装置。


背景技术：

2.冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤，冻土路基的上限变化主要是气温变化致使土壤反复冻融而引起的，而土壤的冻融是一个非常复杂的过程，它伴随物理、化学及力学现象和子过程，最主要包括温度变化、上限位置变化和水分迁移等。因此可以了解到影响多年冻土地区路基稳定性的主要部位是上限附近及其上部的季节融化层。而季节融化层比较活跃，随着气候和地质条件的改变所发生的融冻变化直接危及路基稳定和道路建筑的安全，而冻土上限的位置及其变化受各种自然条件综合作用，直接反映季节融化层的特性，直接关系。而多年冻土和融土有截然不同的工程性质,含冰地层的融化是酿成工程建筑物破坏的主要原因。因此,了解多年冻土上限的分布规律和确定多年冻土、上限埋藏深度，是多年冻土工程地质工作中需要重点解决的问题。
3.传统方法使用野外判定法，挖掘难度较高，且冻土区生态系统极其脆弱，勘探揭露地表后，植被短期内难以恢复，不利于传统勘察工作的展开，经验公式法通过勘探资料统计分析得出，没有完整的理论推导过程，无法准确计算出冻土上限的位置。


技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种关于不同季节确定冻土上限的方法及钻探装置，解决了传统方法挖掘难度较大和判断冻土上限不准确的问题，可以应对不同季节合理调整钻杆温度，及时对杆体冷却，提高钻探效率和最终确定冻土上限的准确率。
6.(二)技术方案
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种关于不同季节确定冻土上限的方法，其特征在于：
8.步骤一：不同季节施工时，根据地表温度t0，确定所需热水的初始温度t1，当t0≥13℃时，t1＝50℃，当13℃＞t0＞-12℃时，t1＝50℃ 2
×
(13℃-t0)，当t0≤-12℃时，t1＝100℃；
9.步骤二：根据热水管的横截面积s1、热水平均流速v确定热水流量q及热水箱流出10l热水的时间再结合该地区最大冻土上限h
max
，确定钻探装置的钻进速度
10.步骤三：结合热水的初始温度t1和热水箱流出10l热水的时间t，确定每次加10l热水的时间与温度，钻探开始时，第一次加入热水，对应的初始温度为t1，之后每隔时间t加入
一次热水，若土层温度自上而下逐渐降低，每隔时间t加入热水的温度为t1 10℃、t1 20℃、t1 30℃，若土层温度自上而下逐渐升高，每隔时间t加入热水的温度为t
1-10℃、t
1-20℃、t
1-30℃；
11.步骤四：启动钻探装置，此时钻杆本体旋转，热水箱内部的弹簧由于离心作用而伸长，推动活塞隔水板及球型水阀离开初始位置，使温度为t1的热水沿热水管流出，并对钻头进行加热；
12.步骤五：当钻探装置钻至地下40cm处时，打开荧光光纤温度传感器，待其检测到0℃时，控制钻探装置停止钻进，球型水阀回到原处，热水不再流出；
13.步骤六：启动冷水阀机构，记忆弹簧受电烙铁的加热而伸长，推动直杆绕轴旋转，带动连杆移动，将冷水塞从冷水管中抽出，使得冷却液沿冷水管流出，之后启动抽水泵，将剩余热水抽到外界且带动冷却液循环流动，实现对钻探装置的降温，若循环流动回冷水箱的冷却液的温度高于0℃，则挡位控制装置自动控制制冷片制冷，对冷却液进行降温，待冷却液循环流动5min后，关闭冷水阀，待抽水泵将剩余的冷却液抽回冷水箱后，关闭抽水泵；
14.步骤七：冷却工作完成后，将钻探装置静置20～30min，使周围土壤温度与钻杆本体温度一致，之后打开四个分布式光纤温度传感器，将所测温度分布传输到主机端，得到0℃位置到分布式光纤温度传感器下端的距离h1、h2、h3、h4，求其平均值h5，由定位模块确定四个分布式光纤温度传感器下端距路表的深度h0，综上，计算出冻土上限为(h
0-h5)。
15.还提出确定冻土上限的钻探装置，用于上述的方法中，包括连接安装筒、钻头、钻杆本体、加热机构、冷却机构、温度检测机构、导电滑环机构、竖板、金属环、环形轨道，所述连接安装筒连接在钻杆本体上端，所述钻头连接在钻杆本体下端，所述加热机构安装在钻杆本体内部，所述冷却机构安装在钻杆本体内部，所述温度检测机构安装在钻杆本体内部，且位于所述钻头顶端以上竖直距离40-90cm处，所述导电滑环机构安装在距钻杆本体上端，所述金属环和环形轨道设在距所述钻杆本体上端。
16.优选的，所述加热机构包括热水箱、热水管、抽水泵、传动轴一，热水箱固定安装在钻杆本体上端，内部侧面固定连接弹簧与限位管，弹簧穿过限位管且固定有活塞隔水板，活塞隔水板可在热水箱内部滑动且通过支杆连接有球型水阀，球型水阀活塞隔水板移动，接触到挡板时停止，热水管与热水箱接通相连，且贴在所述钻杆本体内壁，最终通向外界，且热水管距钻头顶端竖直距离30厘米以上部分水管外包裹着隔热材料，抽水泵安装在热水管上端，且通过传动轴一与热水管连续，传动轴一通过皮带与传动轴二相连。
17.优选的，所述冷却机构包括冷水箱、冷水管、冷水阀机构、传动轴二，冷水箱固定安装在钻杆本体上端，冷水管与冷水箱相连，且贴在钻杆本体内壁，冷水管末端通入冷水箱，传动轴二通过皮带与传动轴一相连；冷水箱内部设有挡位控制装置且装有冷却液，顶端安装有六块制冷片；冷水阀机构安装在竖板侧面，冷水阀机构包括电烙铁、记忆弹簧、直杆、轴、连杆、限位弹簧一、冷水塞，记忆弹簧一端与电烙铁固定连接，另一端与直杆固定连接，直杆可绕轴转动，连杆一端与直杆固定连接，另一端与冷水塞固定连接，冷水塞上下两侧安装有限位弹簧一。
18.优选的，所述挡位控制装置包括筒型管、传温杆、可膨胀材料、隔板、限位弹簧二、三个活塞杆、三个电触端、伸缩弹簧一、伸缩弹簧二；传温杆一端伸入冷却液中，另一端伸入可膨胀材料，可膨胀材料填装入筒型管中，筒型管内壁贴有隔热材料，可膨胀材料顶部设有
一个隔板，可膨胀材料膨胀可推动隔板在筒型管内部向上滑动，隔板上设有三个活塞杆，限位弹簧二的一端固定安装在筒型管内壁顶端，另一端固定连续隔板两端的顶面，活塞杆顶部装有电触头，电触头可触碰到顶部的电触端形成通路，每个电触端通过导线与两块制冷片连接；第一个活塞杆内部有伸缩弹簧一，第一个活塞杆顶部触碰到电触端时，若未停止上升，第一个活塞杆收缩，第二个活塞杆内部有伸缩弹簧二，第二个活塞杆顶部触碰到电触端时，若未停止上升，第二个活塞杆收缩，第三个活塞杆顶部触碰到电触端时，第三个活塞杆不再上升；每个活塞杆控制两个制冷片的供电，对应三个挡位，三个挡位对应冷却液温度分别为-3℃～0℃，0℃～3℃，3℃～6℃；可膨胀材料在-3℃～0℃的体积膨胀系数为β1，体积膨胀系数公式为v1为可膨胀材料膨胀前的体积，v2为可膨胀材料膨胀后的体积，t1为可膨胀材料膨胀前的温度，t2为可膨胀材料膨胀后的温度，由体积膨胀系数公式可得由-3℃升温到0℃时，可膨胀材料的体积va＝(β1·
δt 1)v0，v0为可膨胀材料在-3℃时的体积，δt＝t
2-t1＝3℃；筒型管底面积为s2，可膨胀材料初始长度为从-3℃升温到0℃时可膨胀材料长度该可膨胀材料的伸长量为l2＝(l
1-l0)，第一个活塞杆上升高度为l2，将第一个活塞杆顶部与电触端之间距离设置为la，la＝0.95l2，同理得出剩余活塞杆顶部与电触端之间距离。
19.优选的，所述温度检测机构包括凹槽、通口、信号调解器、信号传输模块、定位模块、荧光光纤温度传感器、分布式光纤温度传感器，分布式光纤温度传感器固定安装在凹槽内，分布式光纤温度传感器紧贴在凹槽内壁，凹槽竖向对称分布在所述钻杆本体内壁，长度为50cm，有四个；荧光光纤温度传感器安装在通口内部，通口距所述钻头顶端竖直距离40cm；信号调解器固定安装在竖板侧面，信号传输模块固定安装在竖板侧面，定位模块固定安装在竖板侧面，定位模块与凹槽下端平行。
20.优选的，所述导电滑环机构包括通电环、环形半凸轴承、环形刷丝、通电口，通电环可以绕钻杆本体转动，通电环内壁上竖向等距排列环形刷丝，环形刷丝与金属环滑动接触，若干个金属环安装在所述钻杆本体外表面凹陷处，每个金属环连接导线通向钻杆本体内部，通电环上下表面均安装有环形半凸轴承，且环形半凸轴承和环形轨道相接触可滑动，环形轨道分布在钻杆本体的凹陷处上下表面，通电口连接在所述导电滑环机构侧面。
21.(三)有益效果
22.与现有技术相比，本发明提供了一种关于不同季节确定冻土上限的方法及钻探装置，具备以下有益效果：
23.1.本发明提出的方法可用于确定不同季节、不同地区的冻土上限确定，可以根据地表温度，确定不同季节施工时所需热水的温度，再结合热水平均流速、热水流量、不同地区的最大冻土上限，控制钻探装置的钻进速度，根据不同季节、不同地区土层的温度分布，调整钻探过程中加入热水的温度梯度，与钻探装置相结合，适用于不同季节、不同地区，快速合理地确定冻土上限。
24.2.本发明使用的冷却机构，在钻探装置停止钻进时，可控制冷却液在钻探装置内部循环流动，对钻探装置降温，冷却液温度升高时，挡位控制机构自动感应冷却液温度变
化，合理控制制冷效果，以快速制冷钻探装置，避免周围冻土融化，提高确定冻土上限的效率和准确度，且冷却液可循环使用、经济环保。
25.3.本发明使用的加热机构，通过钻杆旋转产生的离心力驱动，钻探开始时，自动移动球型水阀，热水沿热水管流出，对钻探装置加热，提高冻土地带钻探效率，钻探停止时，球型水阀自动回到原处，不再对钻探装置加热，且在竖直距离钻头30cm以上的热水管外包裹有隔热材料，防止持续加热导致冻土融化造成土壤塌陷。
26.4.本发明使用的荧光光纤温度传感器，可以及时判断钻杆是否钻探到目标位置，钻探到目标位置后，静置等待周围土壤温度传递到钻杆本体内壁后，利用分布式光纤温度传感器，自下而上检测温度，得到地下冻土区的温度分布，准确判断出冻土上限位置，不需要多次伸入孔内进行不同高度位置测温的步骤。
27.5.本发明使用的导电滑环机构，可为钻探装置中的用电设备供电，解决钻探过程中因钻探装置旋转而导致的用电设备线路缠绕问题。
附图说明
28.图1为本发明的整体示意图；
29.图2为本发明的俯视剖面图；
30.图3为本发明的加热机构剖面图；
31.图4为本发明的热水箱结构图；
32.图5为本发明的冷却机构剖面图；
33.图6为本发明的挡位控制装置图；
34.图7为本发明的冷水阀机构结构图；
35.图8为本发明的导电滑环机构结构图；
36.图9为本发明的温度检测机构布置图。
37.图中：连接安装筒1、钻头2、钻杆本体3、加热机构4、冷却机构5、温度检测机构6、导电滑环机构7、竖板8、金属环9、环形轨道10、热水箱41、热水管42、抽水泵43、传动轴一44、冷水箱51、冷水管52、冷水阀机构53、传动轴二54、凹槽61、通口62、信号调解器63、信号传输模块64、定位模块65、荧光光纤温度传感器66、分布式光纤温度传感器67、通电环71、环形半凸轴承72、环形刷丝73、通电口74、弹簧411、活塞隔水板412、支杆413、限位管414、球型水阀415、挡板416、制冷片511、挡位控制装置512、冷却液513、电烙铁531、记忆弹簧532、直杆533、轴534、连杆535、限位弹簧一536、冷水塞537、筒型管5121、传温杆5122、可膨胀材料5123、隔板5124、限位弹簧二5125、活塞杆5126、电触端5127、伸缩弹簧一5128、伸缩弹簧二5129。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.如图1
‑‑
9所示，本发明提供如下技术方案：一种关于不同季节确定冻土上限的方
法，包括以下步骤：
40.步骤一：不同季节施工时，根据地表温度t0，确定所需热水的初始温度t1，当t0≥13℃时，t1＝50℃，当13℃＞t0＞-12℃时，t1＝50℃ 2
×
(13℃-t0)，当t0≤-12℃时，t1＝100℃；
41.步骤二：根据热水管42的横截面积s1、热水平均流速v确定热水流量q及热水箱41流出10l热水的时间再结合该地区最大冻土上限h
max
，确定钻探装置的钻进速度
42.步骤三：结合热水的初始温度t1和热水箱41流出10l热水的时间t，确定每次加10l热水的时间与温度，钻探开始时，第一次加入热水，对应的初始温度为t1，之后每隔时间t加入一次热水，若土层温度自上而下逐渐降低，每隔时间t加入热水的温度为t1 10℃、t1 20℃、t1 30℃，若土层温度自上而下逐渐升高，每隔时间t加入热水的温度为t
1-10℃、t
1-20℃、t
1-30℃；
43.步骤四：启动钻探装置，此时钻杆本体3旋转，热水箱41内部的弹簧411由于离心作用而伸长，推动活塞隔水板412及球型水阀415离开初始位置，使温度为t1的热水沿热水管42流出，并对钻头2进行加热；
44.步骤五：当钻探装置钻至地下40cm处时，打开荧光光纤温度传感器66，待其检测到0℃时，控制钻探装置停止钻进，球型水阀415回到原处，热水不再流出；
45.步骤六：启动冷水阀机构53，记忆弹簧532受电烙铁531的加热而伸长，推动直杆533绕轴534旋转，带动连杆535移动，将冷水塞537从冷水管52中抽出，使得冷却液513沿冷水管52流出，之后启动抽水泵43，将剩余热水抽到外界且带动冷却液513循环流动，实现对钻探装置的降温，若循环流动回冷水箱51的冷却液的温度高于0℃，则挡位控制装置512自动控制制冷片511制冷，对冷却液513进行降温，待冷却液513循环流动5min后，关闭冷水阀53，待抽水泵43将剩余的冷却液513抽回冷水箱51后，关闭抽水泵43；
46.步骤七：冷却工作完成后，将钻探装置静置20～30min，使周围土壤温度与钻杆本体3温度一致，之后打开四个分布式光纤温度传感器67，将所测温度分布传输到主机端，得到0℃位置到分布式光纤温度传感器67下端的距离h1、h2、h3、h4，求其平均值h5，由定位模块65确定四个分布式光纤温度传感器67下端距路表的深度h0，综上，计算出冻土上限为(h
0-h5)。
47.确定冻土上限的钻探装置，用于上述的方法中，包括连接安装筒1、钻头2、钻杆本体3、加热机构4、冷却机构5、温度检测机构6、导电滑环机构7、竖板8、金属环9、环形轨道10，所述连接安装筒1连接在钻杆本体3上端，所述钻头2连接在钻杆本体3下端，所述加热机构4安装在钻杆本体3内部，所述冷却机构5安装在钻杆本体3内部，所述温度检测机构6安装在钻杆本体3内部，且位于所述钻头2顶端以上竖直距离40-90cm处，所述导电滑环机构7安装在距钻杆本体3上端，所述金属环9和环形轨道10设在距所述钻杆本体3上端。
48.加热机构4包括热水箱41、热水管42、抽水泵43、传动轴一44，热水箱41固定安装在钻杆本体3上端，内部侧面固定连接弹簧411与限位管414，弹簧411穿过限位管414且固定有活塞隔水板412，活塞隔水板412可在热水箱41内部滑动且通过支杆413连接有球型水阀
415，球型水阀415可随活塞隔水板412移动，接触到挡板416时停止，热水管42与热水箱41接通相连，且贴在所述钻杆本体3内壁，最终通向外界，且热水管41距钻头2顶端竖直距离30厘米以上部分水管外包裹着隔热材料，抽水泵43安装在热水管42上端，且通过传动轴一44与热水管42连续，传动轴一44通过皮带与传动轴二54相连。
49.冷却机构5包括冷水箱51、冷水管52、冷水阀机构53、传动轴二54，冷水箱51固定安装在钻杆本体3上端，冷水管52与冷水箱51相连，且贴在所述钻杆本体3内壁，冷水管52末端通入冷水箱51，传动轴二54通过皮带与传动轴一44相连；冷水箱51内部侧面设有挡位控制装置512，内部下面装有冷却液513，内部顶端安装有六块制冷片511；冷水阀机构53安装在竖板8侧面，冷水阀机构53包括电烙铁531、记忆弹簧532、直杆533、轴534、连杆535、限位弹簧一536、冷水塞537，记忆弹簧532一端与电烙铁531固定连接，另一端与直杆533固定连接，直杆533可绕轴534转动，连杆535一端与直杆533固定连接，另一端与冷水塞537固定连接，冷水塞537上下两侧安装有限位弹簧一536。
50.挡位控制装置512包括筒型管5121、传温杆5122、可膨胀材料5123、隔板5124、限位弹簧二5125、三个活塞杆5126、三个电触端5127、伸缩弹簧一5128、伸缩弹簧二5129；传温杆5122一端伸入冷却液513中，另一端伸入可膨胀材料5123，可膨胀材料5123填装入筒型管5121中，筒型管5121内壁贴有隔热材料，可膨胀材料5123顶部设有一个隔板5124，可膨胀材料5123膨胀可推动隔板5124在筒型管5121内部向上滑动，隔板5124上设有三个活塞杆5126，限位弹簧二5125的一端固定安装在筒型管5121内壁顶端，另一端固定连续隔板5124两端的顶面，活塞杆5126顶部装有电触头，电触头可触碰到顶部的电触端5127形成通路，每个电触端5127通过导线与两块制冷片511连接；第一个活塞杆5126内部有伸缩弹簧一5128，第一个活塞杆5126顶部触碰到电触端5127时，若未停止上升，第一个活塞杆5126收缩，第二个活塞杆5126内部有伸缩弹簧二5129，第二个活塞杆5126顶部触碰到电触端5127时，若未停止上升，第二个活塞杆5126收缩，第三个活塞杆5126顶部触碰到电触端5127时，第三个活塞杆5126不再上升；每个活塞杆5126控制两个制冷片511的供电，对应三个挡位，三个挡位对应冷却液513温度分别为-3℃～0℃，0℃～3℃，3℃～6℃；可膨胀材料5123在-3℃～0℃的体膨胀系数为β1，由体积膨胀系数公式可得由-3℃升温到0℃时可膨胀材料5123的体积va＝(β1·
δt 1)v0；筒型管5121底面积为s2，可膨胀材料5123初始长度为从-3℃升温到0℃时长度该可膨胀材料5123的伸长量为l2＝(l
1-l0)，第一个活塞杆5126上升高度为l2，将第一个活塞杆5126顶部与电触端5127之间的初始距离设置为la，la＝0.95l2，同理得出剩余活塞杆5126顶部与电触端5127之间距离。
51.温度检测机构6包括凹槽61、通口62、信号调解器63、信号传输模块64、定位模块65、荧光光纤温度传感器66、分布式光纤温度传感器67，分布式光纤温度传感器67固定安装在凹槽61内，分布式光纤温度传感器67紧贴在凹槽61内壁，凹槽61竖向对称分布在钻杆本体3内壁，长度为50cm，有四个；荧光光纤温度传感器66安装在通口62内部，荧光光纤温度传感器66周围，通口62距钻头2顶端竖直距离40cm；信号调解器63固定安装在竖板8侧面，信号传输模块64固定安装在竖板8侧面，定位模块65固定安装在竖板8侧面，定位模块65与凹槽61下端平行。
52.导电滑环机构7包括通电环71、环形半凸轴承72、环形刷丝73、通电口74，通电环71可以绕钻杆本体3转动，通电环71内壁上竖向等距排列环形刷丝73，环形刷丝73与金属环9滑动接触，若干个金属环9安装在钻杆本体3外表面凹陷处，每个金属环9连接导线通向钻杆本体3内部，通电环71上下表面均安装有环形半凸轴承72，且环形半凸轴承72和环形轨道10相接触可滑动，环形轨道10分布在所述钻杆本体3的凹陷处上下表面，通电口74连接在导电滑环机构7侧面。
53.钻探装置的工作原理：钻探时，钻探装置旋转，固定在热水箱41内部的弹簧411由于离心力的作用伸长推动活塞隔水板412，活塞隔水板412推动球型水阀415，球型水阀415接触到挡板416停止移动，热水沿热水管42流出，对钻头2加热，提高钻探效率，热水管42在距钻头2竖直距离30厘米以上的部分管外包裹有隔热材料，防止持续加热导致冻土融化造成土壤塌陷。
54.当钻探装置钻进至地下40cm处打开荧光光纤温度传感器66，当荧光光纤温度传感器66检测到0
°
时，控制钻探装置停止钻进，弹簧411和球型水阀415回到原处，热水不再流出，打开电烙铁531加热记忆弹簧532，记忆弹簧532伸长推动直杆533绕轴534旋转，带动连杆535移动，冷水塞537从冷水管52中被抽出，使得冷却液513沿冷水管52流出，对钻探装置降温，传动轴二54与传动轴一44通过传动皮带相连，抽水泵43启动，带动传动轴二54与传动轴一44转动，将剩余热水抽到外界且带动冷却液513循环流动。
55.若循环流动回冷水箱51的冷却液513的温度从-3℃升高到0℃，传温杆5122将温度传递到可膨胀材料5123，使其膨胀，推动隔板5124上升la，压缩限位弹簧二5125，此时第一个活塞杆5126顶部电触头触碰到第一个电触端5127，使两个制冷片511得到供电；若冷却液513的温度继续从0℃升高到3℃，可膨胀材料5123继续推动隔板5124上升，由于第一个活塞杆5126已接触到电触端5127，无法继续上升，第一个活塞杆5126内部伸缩弹簧一5128被压缩，第二个活塞杆5126继续随隔板5124上升，当其顶部电触头触碰到第二个电触端5127时，使两个制冷片511得到供电；若冷却液513的温度继续从3℃升高到6℃，可膨胀材料5123继续推动隔板5124上升，两个已接触到电触端5127的活塞杆5126内部的伸缩弹簧一5128和伸缩弹簧二5129被压缩，第三个活塞杆5126继续随隔板5124上升，当其顶部电触头触碰到第三个电触端5127时，使两个制冷片511得到供电，进而控制六块制冷片511在不同温度下的工作时机，合理调整制冷效果，待冷却液513循环流动5min后，停止加热电烙铁531，冷水塞537关闭，待抽水泵43将剩余的冷却液513抽回冷水箱51后，关闭抽水泵43。
56.钻探装置静置20～30min保障周围土壤温度与钻杆本体3温度一致，打开四条分布式光纤温度传感器67，将其所测温度分布通过信号调解器63调解，再通过信号传输模块64传输到主机端，得到0℃位置到分布式光纤温度传感器67下端的距离h1、h2、h3、h4，求平均值得h5，通过定位模块65得到分布式光纤温度传感器67下端距路表的深度h0，综上，冻土上限为(h
0-h5)。
57.实施例一：
58.在青藏高原地区的夏季，地表温度t0＝12℃，第一次在热水箱41中加入热水的温度t1＝52℃；热水管42横截面积s＝0.0001m2，热水平均流速v＝2m/s，则热水流量q＝0.0002m2/s，流出10l热水的时间t＝50s，该地区最大冻土上限h
max
＝5m，钻进速度x＝0.025m/s；该地区土层温度自上而下逐渐降低，每隔时间t加入热水的温度为62℃、72℃、82
℃；夏季温度较高，提前启动制冷机构5对冷却液513制冷，保证冷却液513温度维持在0℃，启动钻探装置；钻杆本体3旋转，热水箱41内部的弹簧411伸长，推动活塞隔水板412及球型水阀415，热水沿热水管42流出，对钻头2加热，钻进至地下40cm，打开荧光光纤温度传感器66，待其检测到0℃时，停止钻进，球型水阀415回到原处，热水不在流出；启动电烙铁531加热记忆弹簧532，记忆弹簧532推动直杆533绕轴534旋转，带动连杆535移动，冷水塞537从冷水管52中被抽出，冷却液513沿冷水管52流动，启动抽水泵43，带动传动轴二54与传动轴一44，将剩余热水抽到外界且带动冷却液513循环流动，若循环流动回冷水箱51的冷却液513温度高于0℃，挡位控制装置512会根据冷却液511的温度变化，控制制冷效果，冷却5min后，电烙铁531停止加热，冷水塞537关闭，抽水泵43将剩余冷却液513抽回冷水箱51后，关闭抽水泵43；钻探装置静置20～30min保障周围土壤温度与钻杆本体3温度一致，打开四条分布式光纤温度传感器67，将其所测温度分布通过信号调解器63调解，再通过定位模块64传输到主机端，得到0℃位置到分布式光纤温度传感器67下端的距离h1、h2、h3、h4，求平均值得h5，定位模块65得到分布式光纤温度传感器67下端距路表的深度h0，综上，冻土上限为(h
0-h5)。
59.实施例二：
60.在蒙古地区的冬季，地表温度t0＜-13℃，第一次在热水箱41中加入热水的温度t1＝100℃；热水管42横截面积s＝0.0001m2，热水平均流速v＝2m/s，则热水流量q＝0.0002m2/s，流出10l热水的时间t＝50s，该地区最大冻土上限h
max
＝4.5m，钻进速度x＝0.0225m/s；该地区土层温度自上而下逐渐升高，每隔时间t加入热水的温度为90℃、80℃、70℃；由于冬季温度较低，冷却液无需提前制冷，钻探装置停止钻进时，启动制冷机构5对冷却液513制冷，其他步骤同实施例一一致。
61.该文中出现的电器元件均通过导电滑环机构7与外界的主控器及220v市电电连接，并且主控器可为计算机等起到控制的常规已知设备。
62.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
63.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。