空气潜孔锤反循环跟管钻进技术以其稳定、高效的优点而广泛应用于地质灾害治理抗滑桩孔的施工中。但对于滑面较深、地质环境复杂的大型滑坡,施工时经常出现变径机构失效、反循环难以形成、钻进效率低以及跟管困难等问题。尤其是对于大直径跟管钻头,钻进时承受的冲击能量高,单位进尺产生的岩屑量大,问题更为突出。改进并优化钻头结构,确保钻头变径机构运行可靠、气体通道能形成强力反循环是解决上述问题的关键。本文依托国家重点研发计划“特大滑坡应急处置与快速治理技术研发”课题三“特大滑坡防治大直径成孔钻具与施工机械小型化研究”,创新设计了一种分体式大直径潜孔锤偏心式反循环跟管钻头,其主要由上钻头体、下钻头体和悬挂销轴组成。上、下钻头体采用悬挂销轴连接,并通过弧形长圆轴与弧形槽配合实现变径。为分析该变径机构的可靠性,采用机械仿真与实验测试等方法对其运动特性进行了分析和研究。结果表明,钻头可通过正反转实现张开和收回,变径机构灵活,最大张开直径600mm,收回后直径为530mm,满足设计要求。为进一步提高钻头收回的可靠性,在钻头体上设置了斜面,上提钻头时,在套管靴的挤压作用下使钻头收回。此外,上、下钻头体间作用面积大,能够高效地传递冲击应力,确保了良好的碎岩效果。借鉴引射式反循环钻头的工作原理,对钻头的反循环结构进行了创新设计,通过设置吸渣通道和底唇面排渣槽来提高钻头的反循环效果和携岩能力。实验测试和多相流数值模拟结果表明,吸渣通道增加了钻头底部岩屑和空气进入其中心通道的途径,有助于提高反循环排屑效果。钻头底面排渣槽形状为螺旋形对反循环效果影响相对较小,但更利于携带岩屑。通过对钻头内喷孔、底喷孔、吸渣通道和排渣槽的优化设计,钻头岩屑携带比δ可达99%,抽吸比η达到20%。结合硬质合金球齿冲击碎岩效果,对钻头底面球齿的布置方法进行了分析,确定钻头的总布齿数为102颗,围绕钻头底面中心通道呈环状进行布置,共布底面球齿95颗,直径为20mm;边齿6颗,直径为25mm;在钻头底部的中心通道进口处布置1颗球齿,直径为22mm。采用Ansys Workbench软件及Abaqus软件分别对钻头静载和冲击载荷条件下的强度进行了模拟研究。在钻压小于50k N、扭矩小于1500N·m的静载作用下,以及载荷为2500J的冲击作用下钻头各部件均保持良好的强度和刚度效果。基于上述研究结果,设计、加工了大直径潜孔锤偏心式反循环跟管钻头并进行了现场测试。试验地层主要为泥质砂岩,施工过程中,钻头的变径机构能够根据需要顺利张开和闭合。钻头反循环能力强、排屑效果好、碎岩效率高、球齿镶嵌牢固且无明显磨损,满足大直径潜孔锤反循环跟管钻进的需要,为滑坡灾害治理大直径抗滑桩孔施工提供了重要支撑。