我国基础工程建设呈现出蓬勃发展的态势,一批铁路、公路、水利水电隧道正在建设或即将进入建设日程,其中存在大量的深长隧道。深长隧道工程建设过程中经常遭遇突、涌水等灾害,给生命财产安全和工程建设带来了严重危害,而含水地层的透水能力与灾害发生的量级存在直接关系。因此,开展隧道掌子面前方含水构造的渗透性评价对于施工期灾害预警与防治具有较为重要的意义。然而水文地质试验等传统渗透性评价方法往往存在滞后性、片面性等特点,地球物理方法在克服以上缺点中具有优势,其中激发极化法具有对含水构造结构参数敏感的优点,近年来在隧道含水构造超前预报、水文地质调查等方面得到广泛应用,采用激发极化方法对含水构造的渗透性评价是国际上新兴发展的方向。但目前激发极化观测数据与地层渗透性关系模型存在经验依赖性强、地层结构参数难以获取等问题,难以满足隧道含水构造渗透性评价的迫切需求。针对隧道含水构造渗透性评价难题,本文采用理论分析和室内试验的方法,对Marshall-Madden毛管模型进行了改进,建立了激发极化观测数据与毛管模型结构参数的关系模型,揭示了激发极化弛豫时间与渗透率的正相关关系。提出了基于激发极化观测数据的毛管模型结构参数反演方法,结合毛管模型渗透率计算方法,建立了多孔岩土介质的渗透率预测模型,最终形成了隧道掌子面前方含水地层的渗透性评价方法,依托高黎贡山隧道工程和保山隧道工程,开展工程验证,取得了较好的效果。本文的主要研究工作及成果如下:(1)基于改进Marshall-Madden模型的激发极化响应特征。研究分析了基于毛管模型的激发极化效应模型的特点,优选出表征岩土介质孔隙结构参数的Marshall-Madden激发极化效应模型,并通过优化孔隙截面离子浓度计算方法和引入孔隙结构参数约束对其进行了改进。基于改进模型开展了大量正演模拟,系统研究了激发极化观测数据对毛管结构参数的响应特征,揭示了弛豫时间等激发极化观测数据与毛管模型结构参数之间的关系,为激发极化评价渗透性提供了理论依据。(2)基于毛管结构参数反演的岩土多孔介质等效渗透率估算方法。基于激发极化观测数据,采用遗传算法与最小二乘方法实现了毛管模型结构参数的获取,并根据合成数据进行模型参数反演,验证了反演算法的有效性。结合激发极化观测数据—毛管模型—渗透率的复合映射关系,建立了基于激发极化法的多孔介质等效渗透率估算方法,并自主开发了相应程序,实现了多孔岩土介质等效渗透率的预测。(3)含水砂层模型试验验证与模型修正。以8种粒径石英砂模拟不同工况的含水砂层,对不同孔隙结构的含水地层开展激发极化试验与达西渗流试验,对比本文提出激发极化渗透率估算方法的预测结果与达西渗流试验实测结果,验证了激发极化渗透率估算方法的有效性,同时对渗透性预测模型参数进行了修正。(4)基于激发极化弛豫时间的隧道含水构造渗透性评价方法。通过系统的隧道激发极化超前探测正演模拟,揭示了激发极化弛豫时间极大值位置与含水构造位置的正相关关系,结合激发极化弛豫时间与渗透性关系模型,实现了隧道前方含水构造位置与渗透率的定性预测。研究成果应用于高黎贡山隧道、保山隧道等工程实践中,验证了隧道激发极化渗透率评价方法的有效性。