隧道超前地质预报作为隧道信息化施工重要组成部分,近年来在保障隧道安全施工方面的作用逐步得到认可。但隧道超前地质预报是一个复杂开放的巨系统,其涉及大量隧道地质知识、物探方法解译技术以及现场实际操作方法,要想实现目前业界普遍期望的效果,仍面临着许多挑战。本文采用理论分析、模型试验、现场试验、数值计算以及计算机编程等手段研究了隧道瞬变电磁法常见金属干扰规律及消除方法、探地雷达属性特征提取及典型岩溶不良地质目标识别技术、隧道宏观地质预报专家系统开发、基于证据理论的隧道地质预报多源信息融合方法四个方面关键技术,并最终在此基础上开发了隧道地质综合超前预报辅助决策系统软件。研究成果有助于完善隧道地质综合超前预报理论体系,为实现预报过程“信息化和智能化”提供理论依据和技术支持。本文的主要研究成果有:(1)采用室内物理模拟试验与现场探测试验相结合的方法,研究了隧道空间内开挖台车与钢拱架等金属体对瞬变电磁法探测结果干扰规律。引入电阻极限参数,提出了基于电阻极限的金属干扰消除及低阻地质异常快速近似反演方法。物理模型与现场应用实例反演结果表明,该方法能有效的剔除金属干扰,提高瞬变电磁法解译精度。(2)将属性分析技术引入到探地雷达隧道地质预报信号解译中,以物理模型试验及大量现场实际探测数据为基础研究探地雷达时域、频域及时频域三类属性体与典型岩溶不良地质体之间的对应关系,并提出基于广义S变换及子波谱模拟的雷达波吸收衰减参数计算方法。建立了基于高斯机器学习方法的典型岩溶不良地质目标识别模型,该模型除了能对岩溶不良地质类别进行识别外,还能获得分类结果的具体概率,实现了探地雷达预报结果不确定性的定量化描述。(3)从隧道典型不良地质形成条件出发,运用工程地质力学理论、系统工程、统计分析及专家咨询等方法综合分析隧道宏观地质预报过程中涉及的各种地质因素,建立了断层破碎带、富水情况及岩溶发育情况三种基本地质条件宏观预测指标体系。设计专家系统知识库和推理机,开发了基于专家系统工具CLIPS的宏观地质预报专家系统,将所开发的专家系统成功应用于实际工程,验证了系统可靠性。(4)根据目前隧道地质综合预报方法特点,引入D-S证据理论,建立了基于证据理论的隧道地质预报多源信息融合模型。该模型按“宏观预报→洞内地质分析→综合物探(长距离、短距离)”逐层逼近,将每一步获得的证据逐层叠加,使得不良地质信息越来越清晰,证据越来越充分,最后缩小到具体位置上,从而实现隧道洞身不良地质预测。以岭脚隧道左线综合地质预报实例说明该模型应用效果。(5)在前面研究基础上开发了隧道地质综合超前预报辅助决策系统软件,软件包括宏观地质预报、TEM金属干扰消除及低阻地质异常快速反演、GPR属性分析及典型岩溶不良地质体自动识别、基于证据理论的隧道地质综合预报以及数据管理系统五大模块。该软件属于预测与查询型软件系统,具有良好的人机交互界面,能帮助超前地质预报工作者从事隧道地质预报工作。