土压平衡盾构施工对黏性土层的适应性比较好,但由于无水砂层流塑性差,内摩擦角大的特点,导致盾构机出现刀盘扭矩增大,输土效率降低等一系列问题,严重影响施工安全和施工进度。为了解决土压平衡盾构施工对无水砂层适应性问题,本文以石家庄地铁2号线盾构施工为依托,对石家庄无水砂层土的改良进行了研究。采用室内坍落度试验和直剪试验对不同种类的重塑土进行改良效果的评定,得出不同种类重塑土改良的最佳配比情况;基于颗粒离散元软件PFC2D,对改良前后中粗砂的细观参数进行了标定,并应用于模拟盾构出土的三维离散元模型;根据确定的中粗砂细观参数,利用PFC3D建立了盾构机出土模型,并比较中粗砂改良前后盾构机的出土率。结果表明:(1)根据室内直剪试验,得到了不同重塑土的内摩擦角和黏聚力数值;(2)确定了膨润土泥浆和泡沫剂对改良无水砂土具有明显的作用;(3)中粗砂的最佳改良配比为加入体积比为15%,浓度为1:10的膨润土泥浆和加入体积比为15%的泡沫剂;粉细砂和粉质黏土改良配比为:膨润土泥浆添加比例在10%~20%,浓度为1:6和1:8,泡沫剂添加比在15%~20%之间;中粗砂和粉质黏土改良配比为:膨润土泥浆添加比在10%~16.5%,浓度为1:8,泡沫剂添加比为15%~25%。(4)PFC2D模拟直剪试验和室内直剪试验的剪位移和抗剪强度曲线趋势基本吻合,确定了改良前后中粗砂的细观参数;(5)在PFC3D盾构模型中,模拟5s内出土效率得出:改良后的中粗砂出土效率比改良前中粗砂的出土效率大14.86%。