地铁施工技术应紧随社会科技进步发展,通过优化机械设备结构与工艺参数等方式实现“绿色”、“可持续发展”的基本原则。反循环钻机作为地铁车站的大型灌注桩基钻孔设备易发生岩屑堵卡等故障,目前钻头系列化和规范化程度不足,需要增强地层适应性强、提高钻进效率。本文以地铁站桩基建设为工程背景,通过现场的监测数据分析了反循环钻机的成孔参数。研究表明,钻进速度是主要影响钻进效率、造成钻头磨损的主要因素,增加粉质黏土层、细中砂层钻进速度至2m/h可以提高成孔效率,降低卵石层的钻速的同时增加水资源用量可以减少钻齿磨损及钻杆堵管可能性、增强泥浆护壁效果。根据桩基成孔参数建立了两种人工神经网络预测模型,经过反向权值调整、优化模型预测效果最终实现成孔工况预测。预测结果均表明10、19、20号中桩成孔参数的平均绝对误差小于5%,28号中桩成孔参数的平均绝对误差均大于5%,表明28号中桩成孔工况异常,且与施工现场的成孔工况吻合,从实际工程上验证了两种预测方法的正确性和有效性。建立了以反循环钻机三翼钻头为基础的钻头模型,使用有限元数值模拟方式对钻头钻进的动态过程进行探究,发现随着钻进时间增长,被钻进地层的平均等效塑性应变也随之增大,计算平均等效塑性应变速率并比较钻进不同地层的钻进效率,不同地层的钻进效果与钻进效率差异较大,卵石层钻进效率较低。采用均匀试验法对钻齿结构参数进行了优化,通过改变钻齿结构参数和转速探究不同因素对钻进效率的影响,以提升卵石层的钻进效率。对模拟结果进行回归分析得到等效塑性应变速率回归方程,利用该方程得到最佳钻进效率钻齿模型:钻角为45°、钻齿与护臂夹角为45°、钻齿直径为65mm、转速为10rad/s。为提高钻齿的耐用性、减少钻齿磨损情况,在单齿模拟的基础上使用3D打印技术辅助设计并进行钻头模型力学试验。对外加工的金属单齿模型进行预处理后,使用电子万能试验机对模型加载力,研究随加载力变化的单齿应变大小。实验结果与单齿模拟结果一致,得到最佳耐用钻齿模型:钻角为60°、钻齿与护臂夹角为67.5°、钻齿直径为12mm。通过现场数据的分析得到影响钻进效率的主要因素,根据建立的预测模型判断特殊成孔工况以减少安全隐患,模拟了钻头钻进不同地层的动态过程,优化了钻齿结构参数以提升桩基成孔效,对钻头模型进行力学实验研究,所建立的耐用钻齿结构为桩基钻孔设备的工业化应用提供了理论基础。