隧道工程建设的蓬勃发展,在带来众多机遇的同时,也给施工带来了诸多挑战。隧道施工中经常会遇到多种复杂的地质条件和不良地质,极易诱发突水突泥、塌方、TBM(Tunnel Boring Machine)卡机等严重灾害和事故,常常会导致施工工期延误、TBM损毁、严重的经济损失乃至重大人员伤亡。因此,提前探明工作面前方存在的断层破碎带、含水溶洞等不良地质,对于保证隧道工程建设安全和灾害预防与控制极为重要。地震波超前探测方法以其较远的探测距离与较好的界面识别效果,成为隧道超前探测中最常用的地球物理方法,但由于隧道环境十分复杂,现有隧道地震波超前探测方法仍存在许多问题：①对隧道环境下地震波传播特性的认识不够清楚,缺少针对典型不良地质三维地震波场响应特征的系统研究；②现有地震波超前探测方法多采用直线类观测方式,无法准确获得前方岩体地震波波速分布,导致前方不良地质体的定位效果和识别效果难以保证；③三维空间类观测方式有利于获得更加准确的波速估计,但是隧道环境下空间类观测方式的布置形式研究不够深入,尚缺乏适用于三维空间类观测方式的合理的数据处理与成像方法。针对上述问题,本文以三维空间观测模式、有效的成像方法、三维地震波场响应特征等为切入点开展了系统的研究,研究并提出了隧道环境下地震波超前探测的三维空间观测方式及其数据处理与成像方法,通过系统的正演模拟与成像试验,揭示了典型不良地质体的地震波探测响应规律与成像特征。同时针对单一超前探测方法多解性的问题,提出了基于三维地震先验约束信息的隧道不良地质综合超前探测方法。最终形成了基于三维空间观测方式的隧道地震波超前探测的成套方法及综合预报与联合解释方法,在三维波场分离、三维速度分析及成像、多解性压制等方面有显著改进,并将其技术成果在现场探测工作中进行了应用并取得了成功。本文的主要研究工作及成果如下：(1)针对常用的直线类观测方式无法获得前方围岩较准确地震波波速的问题,提出了一种具有三向偏移距的隧道地震波超前探测三维空间观测方式。同时考虑波场分离的要求,设计了三维地震空间观测方式的道间距、偏移距、最大炮检距等参数。该观测方式具有隧道轴向、垂向以及水平三个方向上的偏移距。通过理论分析和数值正演发现,该观测方式最大限度的利用了隧道空腔有限的观测空间,有利于获得可靠的速度分布结果,提高异常体的定位精度,在一定程度上改善了与隧道轴向小角度相交异常体探测效果。(2)针对具有三向偏移距的三维空间新型观测模式,研究并提出了隧道三维地震波超前探测的数据处理与成像方法,开发了具有自主知识产权的成像处理程序。针对地震记录的时变频率分布特性,采用时变滤波的方法有效的滤除杂波,提高探测的分辨率。针对部分干扰波与有效波频谱成分接近,采用F-K与τ-p联合滤波的方法,实现了隧道复杂波场反射波提取与干扰波的滤除。采用了基于绕射叠加的速度扫描分析方法实现了具有三向偏移距的三维空间新型观测模式下隧道地震波超前探测三维速度分析,在此基础上,基于惠更斯原理利用几何地震学原理及波运动学特性实现了基于等旅行时的隧道地震波偏移成像方法。(3)通过系统的正演模拟与成像试验,揭示了岩性分界面、断层、溶洞等典型不良地质的三维地震波场响应规律与成像特征。研究了不同角度岩性分界面、不同厚度断层以及不同直径溶洞的三维地震波场传播及响应特征,并采用本文提出的隧道三维地震波超前探测成像方法与程序进行处理,得到典型不良地质体的成像特征,从而为隧道三维地震波探测现场数据处理以及解释提供理论基础。(4)针对传统综合超前预报中每种方法本身多解性和可靠性未有改善的问题,以约束反演和联合解释为核心,提出了基于三维地震先验约束信息的隧道不良地质综合超前地质预报方法。将地震波探测方法获得的岩体构造边界和形态作为空间结构约束,并将其施加到三维电阻率反演中,在结合不等式约束的基础上,提出了基于不等式与结构约束的三维电阻率约束反演方法。同时从弹性差异、导电性差异、介电差异等方面总结了不同探测方法对不良地质构造的响应特征,进而提出了含水体的联合解释准则。在约束反演和联合解释的基础上,建立了基于三维地震先验约束信息的隧道不良地质综合预报探测方法和体系。在上述研究基础上,最终形成了基于三维空间观测方式的隧道地震波超前探测的成套方法及综合预报与联合解释方法。研究成果应用于吉林引松供水工程TBM2标段和TBM3标段、辽宁某TBM隧道、乌东德水电站交通洞等多个隧道工程的超前探测中,解译结果与实际工程揭露岩体基本一致,从现场应用的角度验证了该探测技术方法的有效性和可靠性。