到2020年，我国高速铁路里程将达到1.2万公里，其中路基工程占总里程15～20％，运营3～5年以后，将面临大量的钻孔注浆加固等工作。常规的湿钻方式会改变路基性状，不宜采用；而气动正或逆循环钻孔，空压机及粉状钻屑的处理装置等设备庞大复杂，在非结构化道路上运输非常不便，钻进操作复杂、成本高、耗时长、效率较低，且粉状岩屑还有可能对环境造成严重污染。基于上述诸多问题，本文基于刀具切削机理，运用有限元理论，结合现场试验，研制了一款跟管钻进旋挖钻具，所获得的研究成果如下：(1)针对高速铁路路基注浆加固的功能要求和技术指标，根据形态学矩阵，完成了旋挖跟管钻具的总体设计方案，率先提出了扩眼钻头在“前”，中心钻头在“后”，确保切削土壤能够进入旋挖筒；(2)根据路基注浆加固条件和扩孔跟管钻具动力要求，将扩眼钻头设计成三瓣沿周向均匀分布，动力头正转扩眼，钻瓣受到离心力和土体接触力的作用绕法兰轴转动，两端分别相互抵住。钻瓣之间的相互限制作用使其具有足够的刚性，即使某个钻瓣遇到碰撞，也能够保持一定的相对位置不发生无效转动，保证正常的钻进过程。动力头反转时，钻瓣同样受到离心力的作用，逐渐向内收拢。当法兰和钻瓣上的限位机构相互接触发挥作用时，钻瓣不再转动，达到完全收拢状态，钻具就能够在套管中轴向移动。(3)依据路基填料颗粒级配分布特点和已有的桩基施工技术方法，将轴肩跟进式套管应用于旋挖钻进工艺，并完成了钻具系统的结构设计和接口设计，确定钻具适用设备的动力匹配关系：132mm的孔径轴向钻进压力14kN，动力头的最大输出扭矩5kN·m，最高转速100r/min，钻进所需功率20kW。并应用Abaqus软件，分析联合刀具的切削运动方式和力学特性，确定了钻齿的拓扑分布和钻头的防堵设计，并完成了其主要部件的强度和刚度校核；(4)根据跟管钻进旋挖钻具切削土壤的力学机理，应用HyperWorks和Abaqus软件，建立了钻具切削土壤的计算模型，计算结果表明：转速增加切削力减小，进给速度增大切削力增大，转速为100r/min钻速为4mm/s时切削力与理论计算值最为接近；(5)针对不同的钻孔深度，对设计钻具进行了6次钻进试验，测得有效钻进时间，其平均钻进速度12～14m/h与理论设计相吻合，验证了钻具的合理性与有效性。