近年来,随着我国经济的持续发展,城市化水平的不断提高,我国城市轨道交通建设取得了前所未有的发展。现阶段为提高施工效率,缩短工期,盾构法施工已在我国城市地铁建设中运用比例高达70%以上。然而由于城市地质环境复杂,轨道交通建设和运营阶段地面塌陷、孤石等原因,造成地质安全事故时有发生,给人民群众的生命和财产造成巨大的威胁,其引发的地质安全问题已成为全社会关注的热点。地质安全隐患已成为制约我国轨道交通安全、高效建设的主要因素,是一项亟待解决的工程难题。城市地质隐患主要包含地下空洞和孤石两大类。地下空洞会导致地面塌陷,威胁人身财产安全;而地下孤石会磨损盾构机刀盘,影响隧道盾构机的施工进度。地球物理探测技术由于具备经济、快速、无损等特点,在轨道交通地质隐患的探查及监测领域发挥着重要的作用。地下空洞和孤石等地质隐患探测精度要求高,而且城市地面地球物理场探测的干扰大,因而极具挑战性。同时,单一地球物理场探测效果不确定性很大,也难以满足城市浅层地球物理精准探测的要求。本文提出一种多钻孔和地面同步布置的三维并行电法观测系统,该观测系统包括地面高密度电阻率三维测量的电极组以及多个钻孔中的垂直电极排列,形成地面和孔中全方位的三维观测系统,覆盖范围更广,数据信息量更大。地面高密度电阻率三维成像(CT)并同步多孔三维跨孔电法CT探测,有效提高了电法CT的纵向分辨率。该观测系统同样用于三维跨孔地震CT观测,实现了轨道交通沿线地质隐患多孔(大于3孔)、大间距(大于20m)三维地震CT和三维电法CT快速诊断,实现了城市地质隐患的精细结构探测。利用上下两个平行对偶发射线圈,发展了一套地面瞬变电磁数据的校正处理方法。该装置可有效减少发射接收线圈中的电流变化所引起的互感,提高信噪比,减小了地面各类管线和金属强感应体对瞬变电磁数据的影响,增强了目标异常体信号的响应特征,将瞬变电磁探测的盲区由正常的20m提升至在2m以内,显著提高了瞬变电磁法在城市轨道交通地质隐患探测中的应用效果。针对地下空洞和孤石的地球物理场异常特征,本文最后发展了一套基于浅层地震法、直流电法、电磁法及三维跨孔类方法的综合地球物理诊断技术。自主开发了一套适合城市轨道交通地质隐患多地球物理场勘探诊断系统。论文在整理中国大陆城市的工程地质和水文地质资料基础上,进行沿线工程地质、水文地质类型的分区、分类与精细表达,总结出目前轨道交通沿线造成塌陷、孤石灾害源地球物理响应特征。其准确性与可靠性通过本文地震、直流电阻率三维数值模拟及实验室试验得到进一步验证。在自主开发了一种浅层地震、直流电法、瞬变电磁一体化的多地球物理场勘探系统及三维成像软件的基础上,首先利用地面浅层地震、直流电法以及多通道瞬变电磁进行多地球物理快速普查,进而通过三维电阻率跨孔CT或三维地震波跨孔CT法对地质隐患进行精准定位,形成适合轨道交通沿线地质隐患探查的快速、可靠、智能的多地球物理场专家诊断分析系统。该系统目前已在合肥、绍兴、厦门等新型城市的地质隐患探查中得到应用,并取得了良好的工程应用效果,为我国城市轨道交通地质隐患探查提供一种新的技术手段。