目前，土压平衡式盾构施工被广泛应用于地铁隧道施工之中。针对于粘性土地层的开挖，土压平衡盾构机比较适用，但在穿越砂土地层时，由于砂层土体流塑性差，摩擦系数较大，强度较高，盾构机的推力大大增加，导致出土困难，刀盘扭矩、螺旋输送机扭矩增大，降低掘进速度甚至无法推进。同时在砂层中，盾构机刀盘升温过快，刀盘及螺旋器磨损较大，这些问题导致土压平衡盾构在砂层中施工十分困难，即土压平衡盾构对穿越砂质地层呈现出了较强的不适应性。本文针对土压平衡盾构施工穿越砂层时表现出的非适应性开展了渣土改良试验研究，通过采用膨润土作为改良剂，进行室内土工试验，得出膨润土的最优膨化浓度和最优膨化时间。通过对比渣土经不同配比的膨润土泥浆改良前后的抗剪强度、渗透性及坍落度，得到了合理的膨润土浓度及泥浆掺入比。研究结果表明当砂层采用浓度为1:10的膨润土泥浆改良后，渣土的塑性及流动性得到有效提高，抗剪强度及渗透性大幅降低；当控制泥浆体积掺入比为2:10施工时，盾构机刀盘内外温度及磨损程度明显降低、排土顺畅且推进速度提高。对于砾砂的改良，膨润土泥浆不能使改良后渣土的满足最优坍落度的要求，通过室内土工试验发现，当膨润土泥浆与砾砂体积比为2:10且黄土与膨润土质量比为2:3时，无论从改良参数还是经济角度都可达到最优。同时采用三维有限元数值模拟方法对比分析了渣土改良前后的地表沉降计算值，并将改良后土体计算值与实测数据对比，结果表明使用有限元软件对盾构机穿越含砂土层进行三维模拟是可行的，计算结果与实测数据拟合较好，同时验证了渣土改良的效果。研究成果对于解决土压平衡盾构穿越砂层时土压难以平衡、排土不正常、刀盘扭矩过大及磨损过快等非适应性问题具有一定的参考价值。