我国的隧道建设目前面临严重的突水突泥威胁隐患,常用的方法是超前地质钻孔结合地球物理方法对隧道前方的地质情况进行判断。但是,目前的超前地质预报方法仅仅能够获取掌子面前方一定范围内不良地质体的情况,无法识别隧道掌子面前方大规模的不良地质构造,对隧道顶板和底板不良地质体的探测手段有限;受到隧道内台车、钢拱架等低阻异常的干扰,电磁类方法信噪比较低;在隧道选线勘察时,缺乏有效探查大规模不良地质体的地球物理手段。因此,类比地空瞬变电磁装置型式,地面-地下瞬变电磁装置型式将发射源布设于地面,在地下和地面接收响应信号。发射源布设于地面,距离隧道内金属异常体较远,相比隧道内布设发射源能够提高信噪比;该装置能够探查几十米甚至数百米的不良地质构造,并且能够探查已开挖隧道顶板和底板的地质构造情况;隧道选线时可以应用该装置探查大规模不良含水地质体,测深能够达到千米以上。地面-地下瞬变电磁法扩大了瞬变电磁在隧道超前地质预报的探测范围,有望成为隧道超前地质预报的新手段。本文的主要思想是将地面-地下瞬变电磁探测方法引入隧道超前地质预报与前期勘察中,全面阐述了该装置型式的特点,系统介绍了如何地面-地下接收数据。为了研究地面-地下瞬变电磁法对不良地质含水体的响应特征规律,首先对多分辨网格算法进行了开发,对多尺度网格内部的迭代公式进行了重新定义,利用多尺度网格的边界条件对运算关系进行制约,实现了时间域与空间域运算关系的统一;然后通过改变接收深度、电阻率和收发距探究均匀半空间模型地面发射-地下接收瞬变电磁的基本规律,对垂直方向、轴向方向等五个方向的进行测线优选;最后探究了纯隧道腔体、直立充水断层、倾斜充水断层、充水溶洞、断层破碎带和大规模地下暗河的响应规律。在数值计算的基础上,利用物理模型试验模拟了地面发射-地下接收瞬变电磁的响应规律,首先利用不同收发距、接收高度、发射线圈位置的物理模型试验得到基本响应规律;然后利用顶底板及直立断面低阻异常断面分别得出顶部低阻异常、底部低阻异常、直立低阻异常的响应规律特征;最后利用掌子面前方不同含水体模型试验得出直立含水体、倾斜含水体、立方含水体的响应规律,对不同水量的响应特征进行分析归纳。在数值计算和物理模型试验的基础上进行了现场试验,首先,对已知水仓进行地面和地下数据采集,利用已知模型验证地面-地下瞬变电磁的可行性;其次,对未知区域进行地面发射-地下接收数据采集,利用巷道内小回线瞬变电磁法进行结果验证;第三,对未知采区进行地面发射-地面接收瞬变电磁试验,利可控源方法进行结果验证。通过数值模拟、物理模型试验和现场试验得出,地面-地下瞬变电磁装置型式对含水地质体响应特征明显。本文通过多分辨网格算法开发、数值模拟、物理模型试验和现场试验研究了地面-地下瞬变电磁法,得到该装置型式下不同异常含水体的响应特征,为后期的瞬变电磁三维反演奠定了基础。