进入21世纪,随着我国“西部大开发”、“中部崛起”等国家战略得到大力推进,一批重大基础建设项目陆续被提上日程,跨江（河、海）隧道、超长深埋山岭隧道等高难度隧道工程建设数量逐渐增多,为隧道工程建设的技术攻关带来了宝贵机遇,同时也对不良地质预报提出了更高的要求。众多工程实践表明,隧道施工常面临着极端复杂的地质条件,尤其在穿越岩溶地层和富水地层时,极易诱发突水、突泥等地质灾害,严重威胁人员生命和财产安全。探明隧道前方不良地质情况是规避地质灾害、保障隧道安全建设的重要前提,而含水构造作为突水突泥灾害的源头,亟需开展与其相关的探测及定位识别研究。针对隧道掌子面前方含水构造识别与成像定位的难题,时间域激发极化多参数反演是一种有效的手段,国内外已开展相关研究,但目前尚存在以下问题:①时间域激发极化正演多采用时频转换,其过程繁琐,耗费大量计算时间成本,而时间域cole-cole表达式包含无穷级数,计算收敛性差;②单独时窗反演时窗割裂,反演出的全时域曲线误差大,导致难以拟合,且尚无针对4种激发极化参数交叉梯度反演的相关研究;③多参数单独识别结果存在差异,且未见同时考虑4种时间域激发极化参数的识别方法。据此,围绕隧道全时域激发极化含导水构造反演成像的问题,本文提出了“基于交叉梯度的隧道全时域激发极化超前探测多参数同步反演成像”的总体解决思路,以“基于交叉梯度的多参数同步反演方法”的研究为核心,采用理论分析、数值模拟和工程验证等方法,构建了多参数同步反演成像目标函数,并根据反演结果进行优化,实现了对异常体的多参数识别,并依托山西省中部引黄工程和大瑞铁路高黎贡山隧道开展了现场试验,验证了本方法的有效性。本文主要研究工作及成果如下:（1）隧道全时域激发极化超前探测正演方法与加速算法。针对全时域激发极化正演时频转换步骤复杂的问题,提出了基于滤波算法的隧道全时域激发极化超前探测正演方法;同时,针对全时域激发极化正演计算时窗多耗时长的问题,引入数组映射方法进行节点存储以实现节点快速查找,并引入了 OpenMP并行算法,实现了隧道全时域激发极化快速正演,有效提升了全时域激发极化的正演计算效率。（2）基于交叉梯度的全时域激发极化多参数同步反演方法。针对目前时间域激发极化单独反演时窗割裂导致反演出的全时域曲线误差大,难以拟合等问题,构建了施加交叉梯度的目标函数,并对交叉梯度函数进行了推导,提出了基于交叉梯度的全时域激发极化多参数同步反演方法。针对反演过程各参数对异常体敏感性不一致,反演贡献需要平衡的问题,对不同参数的敏感度矩阵施加了差异化约束,并结合数值算例验证了该方法的有效性,实现了对异常体形态、位置更为准确的识别,提高了多参数同步反演效果,形成了基于敏感度矩阵加权约束的多参数优化反演方法。（3）基于聚类分析的隧道全时域激发极化多参数识别方法。针对各反演成像参数对于异常体的边界、规模反映仍存在差异且难以准确刻画识别异常体及边界,开展了基于聚类分析的隧道全时域激发极化多参数识别方法研究,实现了隧道全时域激发极化超前探测异常体识别。在此基础上,依托山西省中部引黄工程和大瑞铁路高黎贡山隧道工程,对本文提出的基于交叉梯度的隧道全时域激发极化超前探测多参数同步反演成像方法开展了工程验证。现场试验表明,反演成像结果与现场开挖情况较为符合,验证了本方法的可行性。