我国已成为世界上隧道修建规模最大、面临地质条件最复杂的国家。TBM(Tunnel boring machine)隧道施工方法具有快速经济的优势,应用越来越广泛。同时,TBM施工方法对地质条件适应性差,TBM掘进穿过断层、溶洞等不良地质发育段落时地质灾害发生频繁,其中含水构造作为灾害源引起的突水突泥灾害往往造成TBM损毁、工期延误、重大经济损失甚至人员伤亡。因此,TBM施工隧道含水构造超前探测理论与技术研究成为TBM施工隧道建设中亟需解决的关键科学问题。钻爆法施工隧道激发极化超前探测可有效探测掌子面前方含水构造,为TBM施工隧道含水构造超前探测提供了可行途径。但在TBM施工隧道中进行激发极化超前探测尚存在一系列问题:①TBM施工环境复杂,电磁干扰强烈,TBM施工机械占据隧道大部分探测空间,钻爆法施工隧道中激发极化超前探测观测形式难以直接使用,缺乏适用于TBM施工隧道的三维激发极化超前探测观测形式;②TBM强烈电磁干扰会对三维激发极化超前探测观测数据产生影响,但影响规律尚不明确,缺少降低或去除TBM干扰影响的有效方法;③TBM施工隧道三维-激发极化超前探测受物理空间限制与TBM强烈电磁干扰,反演成像结果对异常体定位存在偏差,缺少提高反演定位精度、压制反演多解性的适用方法。针对上述问题,本文主要开展了以下研究工作:利用三维有限元正演模拟研究钻爆法隧道中常用激发极化观测形式对异常体的响应特征规律,模拟激发极化超前探测单点供电与多点聚焦供电,分析对应的电场分布特征,提出了适用于TBM施工隧道的三维激发极化超前探测聚焦扫描式观测形式;研究TBM施工机械对三维激发极化超前探测聚焦扫描式观测形式观测数据的干扰影响规律,提出基于统计比例的TBM干扰去除方法;为提高TBM施工隧道三维激发极化超前探测反演对异常体的定位精度,分析传统光滑约束反演中光滑约束权重对反演结果的影响,研究敏感度矩阵元素分布特征,提出基于敏感度加权的三维激发极化反演成像方法,在三维电阻率反演中利用已知地质信息,施加基于松弛变量的不等式约束压制反演多解性,设计基于OpenMP的总体系数矩阵cholesky分解与敏感度矩阵求解的并行计算算法加速反演;建立TBM施工隧道典型不良地质三维激发极化聚焦扫描式观测形式超前探测模型,分析断层、溶洞、复合地层等不良地质体的反演成像特征,使超前探测结果为TBM施工决策提供依据,在TBM施工隧道现场验证三维激发极化超前探测方法的有效性。在上述研究工作中,取得的研究结果如下:(1)隧道激发极化超前探测定点源三极、动点源三极、聚焦/聚焦测深观测形式对掌子面前方一定范围内低阻异常构造具有异常响应,模拟计算中多同性源阵列式观测形式对探测目标的异常响应程度较强,可达20.5%;多同性源阵列式观测形式受掌子面后方干扰构造及隧道支护结构的干扰影响较小,干扰异常比例低于0.6%。同时,相比于单点供电,多点聚焦供电方式可使电流在掌子面前方更集中,向隧道径向扩散较小,探测区域内电位降低速度减慢,形成聚焦效应。模拟计算模型中低阻异常构造深度小于12m时,单点供电的异常响应程度较强;深度大于12m时,多点聚焦供电方式的异常响应较强。(2)以多同性源阵列式与E-SCAN模式为基础的三维激发极化聚焦扫描式观测形式,对掌子面前方一定范围内地质异常体具有有效异常响应,受TBM构件等干扰影响程度低,可满足TBM施工隧道超前探测要求。(3)TBM复杂环境三维激发极化聚焦扫描式观测形式观测数据受TBM干扰具有较强的规律性,数值计算模型中改变探测区域内低阻异常构造位置、尺寸等参数,TBM模型参数保持不变时,观测数据受到的TBM干扰异常比例大致在12.0%左右。基于统计比例的TBM干扰去除方法,可有效去除TBM复杂环境三维激发极化超前探测观测数据受到的TBM干扰影响,开展的数值算例中观测数据的TBM干扰异常比例由10%以上降低到1.2%以下,现场试验的TBM干扰异常比例由23%以上下降到5.6%以下。(4)TBM施工隧道三维激发极化聚焦扫描式观测形式的反演计算中,光滑约束权重参考范围为0.1～1.0,当隧道断面、电极极距等变化时,光滑约束权重需做适当调整。反演中敏感度矩阵元素量级相差可达1010,模型单元与供电电极、测量电极越近,对应的敏感度元素绝对值越高。基于敏感度加权的反演方法,可提高三维激发极化反演深度定位精度,基于已知地质信息的松弛变量不等式约束反演方法,可有效压制反演多解性。(5)TBM施工隧道三维激发极化超前探测数值模拟的反演成像结果可较好反映断层破碎带、溶洞、复合地层等不良地质条件,预报结果可用作TBM施工决策依据。工程现场应用证明了 TBM施工隧道三维激发极化超前探测技术的可行性和有效性。