地下水因素一直都是影响隧道施工效率,威胁隧道安全的最主要因素之一。在现有的超前地质预报技术中,瞬变电磁法一直是对地下水探测最为有效的手段之一。然而将瞬变电磁法应用于隧道超前地质预报工作中仍然面临着一些有待完善的问题,诸如:隧道探测中发射、接收回线的四周主要都是围岩介质,是一种全空间条件,与大地测量的半空间条件截然不同;隧道空间中掌子面处的工作空间十分狭窄,无法采用传统的大地瞬变电磁测量中在较大范围内布置多个测点的手段来进行探测工作。这些因素使得在隧道中对低阻异常体尺寸及规模的准确反演变得十分困难。为了解决上述问题,本文首先通过有限元软件ANSYS进行数值模拟计算,对比了全空间与半空间条件下的瞬变电磁场扩散形式,并分析了异常体条件与无异常体条件下瞬变电磁响应的区别与联系,证明了全空间问题并非半空间问题简单的叠加,而是两种不同的电磁波场扩散形式:半空间的扩散形式形如“烟圈”,而全空间的电磁波扩散形式形如“纺锥”。基于瞬变电磁的薄层模型假设,通过公式推导首次得到了异常体条件下的瞬变电磁响应比例系数K_full/half的数学解析式。通过对该解析式展开分析,发现了全空间与半空间条件下异常体的瞬变电磁响应比例系数K_full/half并非是一个固定的常数,而是随时间、围岩电导率、异常体半径、异常体距离等多种因素变化的函数,并分析了各参数变化对比例系数K_full/half的影响趋势。同时采用Comsol软件进行三维轴对称模型的数值模拟计算,验证了比例系数K_full/half与各影响因素之间的关系。根据电磁场物理模拟的相似准则,采用盐水模拟围岩介质,石墨块体模拟低阻异常体建立了物理相似模型试验。通过资料分析、数值计算及实验室试测对线圈形式进行反复改进,证实了相似模型试验中发射及接收回线的绕制形式及匝数不需与现场的线圈绕制方式一致,而应当在确保异常体响应信号清晰的基础上进行合理的优化,进而设计了更适合于瞬变电磁物理相似模型试验的接收与发射回线。通过物理相似模型试验进一步验证了全空间与半空间异常体瞬变电磁响应比例系数K_full/half与各影响因素之间的关系。数学解析结果、数值模拟计算结果及相似模型试验结果三者趋势一致,都表明比例系数K_full/half是一个介于1.0至2.5之间随多种影响因素变化的函数,异常体响应越强烈,则比例系数K_full/half越接近于1.0,且随时间衰减越剧烈。基于对瞬变电磁正演模拟计算结果规律的分析,提出了一种新的反演方法——迭代反演方法,可以通过单一测点的瞬变电磁响应数据反演得出前方低阻异常体的规模及距离。为了实现该迭代反演方法,首先通过Matlab编程实现了快速三维FDTD瞬变电磁正演程序,并对125组三维FDTD正演计算结果进行分析,研究了不同特征的低阻异常体的瞬变电磁响应强度及响应曲线形态的规律。根据不同异常体几何条件下不同的瞬变电磁响应强度及响应曲线形态,提出了一种特征值提取的方法,并分析了该特征值与低阻异常体几何条件之间的相关性。依据相关性分析,提出了迭代路径算法,通过该算法进行迭代可以使得迭代反演的结果逐渐逼近正确的解。基于三维FDTD快速正演及迭代路径算法,通过Matlab编程实现了迭代反演程序,该程序通过单点瞬变电磁响应数据即可以反演解释前方低阻异常体的位置及规模。将虚拟算例的数据带入迭代反演程序中可以对隧道掌子面前方的低阻体进行准确的探测,反演计算结果表明其相对误差小于10%,可以满足实际工程需要。在明月山隧道工程的瞬变电磁反演工作中采用迭代反演方法更为准确的判断了掌子面前方低阻异常体的距离与规模,验证了这种迭代反演方法的有效性。这种迭代反演方法适用于工作区域较为有限的隧道、煤矿等工况,可以单独使用,也可以与其他探测技术进行联合反演,从而为工程人员提供更好的地下水预警系统。