土压平衡盾构在砾砂、砂卵石、大粒径卵漂石等地层中的施工问题是城市地下空间工程中的一个重难点,一方面是因为此类地层具有孔隙率大、渗透性高等特点,如果地层中同时含有地下水,在施工中极易出现由于开挖面水土压力导致的喷涌,以及开挖扰动导致的失稳和沉降等问题。另一方面是由于盾构在此类地层中掘进时采用的土体改良技术,会对盾构中的土压力、刀盘扭矩、推进速度等参数产生影响,从而影响盾构正常掘进。而目前对于此类地层中盾构的土体改良研究尚显不足,改良材料的选用和配比缺乏理论指导,没有相关评价标准,大多依据现场经验,常常造成不必要的成本增加或施工风险。为此,本文依托哈尔滨地铁2号线哈～大区间盾构隧道工程,针对高水压富水砂层土压平衡盾构施工中存在的问题,主要包括:喷涌发生的理论条件、基于抵抗喷涌发生的土体改良配比、土体改良细观机理、土体固结对于刀盘扭矩的影响等进行了研究。开展了土压平衡盾构抗喷涌的理论研究,建立了抗喷涌简化力学模型,并通过数值计算模型研究了土体渗透系数与水压力和流速的关系,确定了盾构抗喷涌发生的临界条件。在实验室进行了基于泡沫、膨润土泥浆、高分子材料的土体改良配比试验,结合喷涌理论研究结果确定了适合该地层土体的改良配比,分析了改良材料与土体作用的微观机理。并对改良前后的土体进行了三轴固结不排水试验及摩擦性试验,研究了土体在不同时间的预固结作用下抗剪强度及与刀盘摩擦系数的变化,根据试验所得力学性能指标计算刀盘扭矩,得到了土体改良对于扭矩的降低作用,及固结时间对扭矩的影响作用。主要研究内容及成果如下:建立了螺旋输送机内土体的简化力学模型和盾构内地下水流动的简化模型,分析了土体性质对于盾构土压平衡建立和喷涌发生的影响,并提出了高压富水砂层盾构施工中土体改良的目的。研究了土压平衡盾构土舱和螺旋输送机内的地下水流运动规律,提出了盾构发生喷涌的临界力学条件。建立抗喷涌数值计算模型分析了改良前后土体渗透系数对于计算模型内地下水压力和流速的影响,并得到了抵抗喷涌的土体临界渗透系数。在实验室内进行了泡沫材料、膨润土泥浆、高分子材料、改性水玻璃等多种材料以单一或复合方式进行土体改良的试验,通过对改良土体进行坍落度试验和常水头渗透试验评判改良后土体的性能,并通过数值计算分析配比的可行性。最终确定出适合本课题所研究的高压富水砂层土压平衡盾构施工的土体改良材料及配比,复合配比材料为钠基膨润土泥浆与CMC（羧甲基纤维素）。室内配比研究结果在理论上满足抵抗喷涌的要求,并且成功在工程现场进行应用,得到了实际工程的验证。根据坍落度试验结果,提出高压富水砂层土体改良的流塑性评价标准。通过计算机断层扫描技术建立了未改良重塑土与改良土的三维重构模型,并在竖直方向对试样进行若干层的分割,通过阈值分割的分析技术,根据不同的灰度和色域分割土体颗粒部分与孔隙部分,分析土体改良对逐层孔隙率和整体孔隙率的影响。并根据电镜扫描试验研究了土体改良对于孔隙率和内部孔隙通道的改善机理,揭示了改良材料对于土体颗粒的包裹、粘聚、叠聚等细观作用机理。基于土压平衡盾构施工中出现的停机时间造成刀盘扭矩异常的问题,对未改良的重塑土和改良后土体进行了三轴固结不排水剪切试验及摩擦性试验,并对改良后土体进行了不同时间的先期固结,以模拟研究实际工程中不同停机时间对土体的影响。试验得到了不同先期固结时间下土体的力学性能指标,据此揭示了盾构刀盘扭矩受土体改良及先期固结时间的影响规律,根据扭矩研究结果,结合现场实测数据,提出盾构长时间停机下预防刀盘扭矩增大的优化措施。