随着我国高速铁路的迅猛发展，5年后将面临大量的维护和养护工作，控制路基变形问题摆在突出的位置。在不破坏路基结构、不影响车辆通行情况下，如何加固路基，已成为目前亟待解决的问题。现有路基维护工作采用钻孔灌注砂浆实现路基加固，但因每层路基所用填料不同，碎石颗粒大小不一，常规钻探技术(液体冷却、气动正循环等)难以满足路基维护要求。而气动反循环潜孔锤跟管钻进技术可以满足路基钻孔护壁要求，但目前国内外该类钻具普遍较少，且存在反循环不彻底、切削齿布置不合理、变径和跟管机构配合不完善等问题。因而，本文基于气动反循环理论，借助ANSYS和FLUENT软件，针对路基注浆加固问题，分析并设计了一套新型气动反循环跟管钻具，主要研究成果如下：(1)通过国内外现有跟管钻具调研，基于高速铁路路基加固对钻孔要求，提出了气动反循环潜孔锤跟管钻具设计方案，创新设计了一种新型跟管钻头，采用中心钻头与扩孔钻头分置方式，中心钻头在底，扩孔钻头呈三瓣均布于中心钻头上部，正转扩孔，反转收拢，并完成了气路设计、柱齿拓扑设计、各部件接口设计和动力参数匹配等。(2)基于有限元分析理论，应用ANSYS软件，对关键零部件如套管靴、钻头体、钻头体与中心钻头间连接销进行静力分析，完成了强度、刚度和可靠性校核。(3)基于计算流体动力学理论，应用FLUENT软件，对孔底流场进行数值模拟，分析底喷孔、喷射孔和扩压槽对岩屑速度的影响，得出了当底喷孔设置为8.5mm，喷射孔直径7.0mm，喷射孔倾角为37.5°或45°，梯形扩压槽上下面距离18mm，且喷射孔尽可能离孔底近些时，岩屑上返速度可达到较大值；数值模拟柱齿处流场发现，对数螺旋线式柱齿布置的岩屑速度由常规排列的16.50m/s提升到19.25m/s。(4)针对套管靴、钻头体与中心钻头之间连接销受力情况非常复杂的特点，通过改善热加工工艺、改变结构及更换高强材料，提高了安全系数；喷射孔改为旋喷孔并取消底喷孔，增强了连接销的刚度和强度。(5)通过对气动反循环气固二相流数值分析，改进了潜孔钻具的防卡堵结构；试验表明，旋喷孔钻头比常规钻头的钻孔速度由1.67m/h增加至2.17m/h，钻孔速度提高了约30%，因而它更能满足工程实际需求。这与仿真分析结果一致，也验证了仿真模型的有效性。