随着市政建设的发展，非开挖技术施工(如顶管工程、盾构施工)越来越多，迅速、紧缺地查清施工前向的地质状况(如暗河、管线、桩基、旧基础等地下障碍物)分布具有重要意义。探地雷达作为一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术，由于其具有高效、快速、连续、无损伤、低成本和高分辨率成像等特点，目前已经成为隧道、公路、水坝、堤防等基础工程设施无损检测技术的重要组成部分。在隧道开挖面地质探测中，传统的检测方法如：水平声波剖面法(HSP)、地电阻影像探测以及地质钻孔、探地雷达探测，只能做到盾构开挖前的大面积探测，或者先让盾构掘进机停止工作，派操作人员到盾构机掌子面前方进行实地测量，均无法对复杂的地质环境作实时在线探测。 本文针对上述探地雷达应用技术问题，提出将探地雷达应用在盾构掌子面上，实现盾构前向地质超前预报。 本文首次地将探地雷达应用于盾构掘进过程中的前向探测，将雷达安装在盾构刀盘上，利用电磁波在不同介质内传播的特性，探测前方地质情况，并通过信息传输通道将雷达信号传输到后方的计算机进行分析处理，成功实施系统方案。 在实施方案前，考虑到刀盘是盾构的掘削系统，具有开挖地层、稳定开挖面、搅拌碴土等功能，承受大扭矩、大推力和冲击载荷的作用，工作状况非常恶劣。为此，在采用类比法完成机械改造结构设计后，必须对刀盘结构的强度、刚度进行校核，并在此基础上进行优化。通过有限元分析与结构优化的互动，可有效提高刀盘结构设计的整体水平与可信度。 在实现现场试验的基础上，从理论上给出了探地雷达的探测性能参数和测量参数的公式，并结合自身对多种雷达的操作，研究3m内不同雷达频率下和不同尺寸异常体的雷达图像，对比分辨率，给出了主流雷达的性能比较，为后续的雷达探测模拟和实地测试提供了理论基础和选型依据。 同时，本文致力于电磁波在不同土层和障碍物中的传播规律研究。方法是通过时域有限差分法(finite—differencetime—domainmethod)二维正演数值模拟探地雷达发射出的电磁波，研究其在不同土层中的传播规律和遇到障碍物反射情况，总结反射规律，为探地雷达目标电磁波的波相识别奠定基础。 并通过Matlab模拟典型地质条件下不同目标物体雷达成像，研究盾构前向探测可以实现的最佳探测频率，并引入地震学中的反演技术，通过偏移技术处理雷达图像，以实现目标特征识别。 本文提出将探地雷达应用至《盾构前向在线实时探测中，实现开挖面前方短距离内的地质预报，具有高探测精度、实时、连续的功能特点，无需停工，所获数据直接传递给盾构进行控制，减少工程成本。和传统超前预报方法相比，该方法具有明显优势。通过对隧道超前探测方面进行研究和探讨，有望在盾构施工超前探测技术创新方面取得突破，为形成隧道地质探测、分析、试验和盾构姿态控制技术体系奠定基础，在该领域获得一批具有自主知识产权的技术、方法和实用系统。