地质雷达方法因其具有高分辨率、高效率、高抗干扰和无损等特性广泛应用于隧道工程中,随着工程应用对探测精度的要求越来越高,进行地质雷达的理论研究,用理论指导应用就显得尤为重要。为了提高地质雷达的探测能力和雷达图像的解释精度,本文在地质雷达数值模拟的基础上开展了成像方面的讨论与研究。首先,本文详细介绍了地质雷达基本原理及时域有限差分法正演模拟原理。通过gprMax软件对影响地质雷达探测的因素进行了数值模拟,通过模拟结果直观的反映了目标体埋深、大小、形状、电性、雷达系统天线中心频率和天线收发间距对地质雷达探测目标体能力的影响,总结出地质雷达探测适用的目标体和一套提高地质雷达探测效果的参数取值。即目标体埋深越浅,体积越大,相对介电常数与周围介质的差异越大,反射信号越明显,探测效果越好;同时工作参数的设置要综合考虑设计的分辨率和探测深度,并且不能只遵循理论公式,应综合实际工作情况择优取值。其次,基于影响因素讨论得到的结论,对隧道工程应用中典型病害进行了合理的二维数值模拟,与实际地质雷达剖面进行了对比,验证了数值模拟的准确性。通过分析隧道超前预报中岩溶洞穴、断层破碎带、软弱夹层以及隧道衬砌质量检测中衬砌空洞、衬砌脱空和钢筋网以及组合模型数值模拟的结果,得到岩溶洞穴及衬砌空洞表现为双曲线型反射信号,同相轴呈弧形连续;断层破碎带表现为强反射信号,同相轴较连续,振幅变化大且衰减较快;软弱夹层表现为反射面清晰,同相轴连续、平顺,衰减较快;衬砌脱空表现为反射面明显,同相轴连续且走势与实际脱空一致,两端有双曲线型绕射波;钢筋网表现为一排规则双曲线型反射波;组合模型表现为单个目标体响应特征的叠加,无明显规律可循。总结出了完整且系统的隧道病害响应特征及判别方法。最后,通过MATLAB编程和MATGPR实现了对隧道典型病害数值模拟结果的进一步成像处理。基于三维模型的数值模拟,实现了三维数据成像,三维成像处理后的图像能从三维上反映目标体的空间位置、大小等信息。基于二维时域有限差分法正演,研究了逆时偏移方法原理及成像条件,实现了基于零时刻成像条件的叠后逆时偏移成像,逆时偏移处理能使绕射波收敛,反射波归位,准确反映目标体的位置、形状和大小等信息。通过对地质雷达数值模拟和成像的研究,总结了提高地质雷达探测能力的方法,从定性和定量的角度进一步拓宽了提高雷达图像解释精度的途径,对地质雷达在隧道工程中的实际应用带来了指导意义。