冲击挤密潜孔锤钻进技术集冲击钻进、振动钻进、空气钻进及无排渣方法的优点于一体,钻进效率高,成孔质量好,是一种高效环保的浅层地热孔钻进技术。钻头结构形式,冲击挤密潜孔锤外管形状设计,尾部机构优化都直接影响钻进效率,是完善和推广该项技术的关键所在。本文以LS-DYNA显式动力分析为基础,对比了优化九阶梯钻头和凸轮旋压钻头在相同冲击荷载作用,相同计算时间,相同地层条件下的钻进深度,为凸轮旋压钻头挤土机理提供了理论依据,并在此基础上对凸轮旋压钻头做了机构改进,在原结构基本不变的条件下设计了螺旋球齿型和反S型切削刃凸轮旋压钻头,提高了钻进效率。对冲击挤密潜孔锤外管机构做了全新的结构设计,首先借鉴振动沉管桩增加管靴易入土工程实例,利用ANSYS/LS-DYNA显式动力分析有限元软件模拟分析了冲击挤密潜孔锤一段粗径外管粗径段出刃量锥角,长径比,两段粗径外管粗径段出刃量锥角,长径比,粗径位置,三段粗径外管的粗径段出刃量锥角,长径比,粗径段数目及位置等参数对钻进效率的影响,设计加工了多组活套式粗径外管,并进行了对比性室外冲击试验,对比分析确定了各情形下粗径外管的最优参数,验证了数值模拟的合理性和可靠性,为生产试验提供可靠的理论依据。在冲击挤密潜孔锤头部机构改进,中部机构重新设计的基础上,对其尾部机构的后轴套及花键轴做了优化设计,设计了花键轴底端凸肩装置,实现了两个零件轴向锁紧定位,解决了原冲击挤密潜孔锤工作不连续,效率低下的问题,并将表面仿生设计理论引入冲击挤密潜孔锤外部机构表面设计中,得到头部仿生非光滑表面设计宜采用凹坑表面仿生形态,中部和尾部仿生非光滑表面设计宜采用凹槽表面仿生形态,优化组合了一套完整的高效环保浅层地热孔冲击挤密潜孔锤钻进技术。