近年来,隧道掘进机(TBM)在我国的应用越来越广,我国也已经从进口国转变为出口国。但由于隧道中地质情况异常复杂,可能出现的突水等地质灾害也越来越多,不仅延误工期,还会造成巨大的直接和间接的经济损失,甚至人员伤亡。虽然应用于TBM的超前地质预报技术多种多样,国内外的超前地质预报技术近年来也均有不同层次的发展,但收效不大,因此研制一种有效的进行超前地质预报前方含水层的仪器迫在眉睫。本文深入研究频率域激发极化法的理论基础以及现有基于频率域激电法电法仪器的结构功能特点、正反演数值模拟研究方法,结合隧道施工现场的环境采用扫描法进行数值模拟,基于数值模拟的结果,提出了隧道超前地质预报装置与系统的设计原则与指标参数,在此基础上研究设计了基于频率域激发极化法中扫描法激电仪的隧道超前地质预报装置与系统。本文首先介绍了国内外关于超前地质预报方法、电法仪器和正反演数值模拟现状,对隧道超前地质预报装置与系统的设计方案和功能结构进行研究;详细解释了频率域激电法的概念和原理,现阶段正反演数值模拟研究的理论方法并进行论证,为系统设计采用的理论方法奠定基础;然后从硬件和软件两个层面上,对信号发射机、放大装置、信号接收机、去噪等硬件部分和数据实时通讯、信号发射、信号采集、USB传输、信号处理和小波变换等软件部分进行深入研究,确保预报装置与系统的稳定性、安全性和精确性;最后将隧道超前地质预报装置与系统进行多平台、多环境模型试验,测得多组数据并进行二维、三维正演得到电位云图,通过对试验结果进行分析,验证了预报装置与系统的有效性。