随着我国的交通建设和能源开发不断发展，特别是西部山区在建或即将修建的高铁、公路以及水利工程都避绕不开无数大小断层破碎带、高地应力以及大变形区域。在高地应力地区进行地下工程建设，如何提高隧道超前地质预报的准确性是当前工程界面临的一大关键难点。尤其是应力波在高地应力作用下节理岩体中的反射、透射引起的应力波衰减问题至今未能得到很好解决。这不仅使得节理岩体中应力波传播与衰减规律不明晰，而且也造成隧道超前地质预报的准确性不高。因此，论文将研究不同地应力条件下应力波在节理岩体中的传播特征，并将理论研究结果应用于隧道超前地质预报中，具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　论文主要以g-λ模型(0＜λ＜1)为基础，采用理论分析、数值模拟、模型试验及工程应用的方法，分析了不同地应力荷载下应力波在单条节理和多条节理中的传播衰减规律，其中地应力大小和方向主要以单向作用为主。推导了基于g-λ模型应力波在单条节理和多条节理的透射波质点速度计算公式；进行了不同地应力条件下应力波在节理岩体中的模型试验；提出了采用ZDF-3型(ZhiliuDian Fire-3)电火花震源产生应力波的方法；将研究成果综合应用于隧道超前地质预报中。论文的研究工作及研究成果主要体现在以下几个方面：
　　(1)基于g-λ模型和位移不连续理论，由特征线法推导出不考虑地应力和考虑地应力时应力P波法向入射单条节理的透射波质点速度解析解。当λ→1时，BB双曲线模型(Barton-Bandis模型)是g-λ模型的一个特例。引入损伤力学中等效应变的观点，将节理闭合量与最大允许闭合量之比设为损伤因子，推导出单条节理条件下能反映节理刚度非线性变化的反射系数和透射系数表达式，并将其命名为刚度反射系数和刚度透射系数。这些研究拓展了g-λ模型应用范围，弥补了BB模型在中等应力水平下与试验结果偏差较大的不足。
　　(2)通过有限差分法，分析了不同参数(地应力、λ值、节理数量、节理间距、节理刚度、入射波频率和振幅等)对透射波衰减规律的影响。研究结果表明，当入射波为半正弦波时，随着参数λ的增加，即节理风化程度较弱且节理壁面吻合度较好时，透射应力波幅值增加，刚度透射系数增大，刚度反射系数减小；透射应力波能量随入射波频率和振幅的增加而分别减小和增加；随着地应力增加，有效波速增大。
　　(3)建立了由多个水泥砂浆试件组成的可模拟节理分布和施加不同地应力水平的组合模型试验，其尺寸为长×宽×高=180cm×80cm×25cm，提出用ZDF-3型电火花震源替代炸药震源激发应力波的方法。模型试验共采集到54组数据，主要分析了电火花激发电压为2500V的测试数据。试验结果表明，随着地应力增加，模型材料和节理都对应力波有衰减作用；弹性状态下，应力波波速随地应力增加而增加；单条节理与多条节理岩体中透射系数随地应力增加而减小。
　　(4)为分析电火花激震的合理性和准确性，通过裂纹模型试验，对比了炸药激震和ZDF-3型电火花激震的区别。模型1九次炸药爆破产生的应力波不仅在模型1上表面产生了沿加载方向的裂纹，而且在模型1底部形成了爆破漏斗轮廓，直径约30cm，未脱落。模型2采用电火花激震，电压分别设置2500V、3000V及3500V。试验结束后模型2上表面没有产生任何裂纹，但在模型2底部形成了直径约52cm，深10cm的利文斯顿爆破漏斗(Livingstone Blasting Crater)，且漏斗已脱落。研究表明，尽管ZDF-3型电火花能量没有炸药能量大，但能起到应力波传播作用。裂纹模拟试验验证了电火花激震与炸药激震具有相似之处，从而为类似模型试验探索了一种可行的激震新途径。
　　(5)将g-λ模型和模型试验结果应用于高地应力隧道超前地质预报中。采用多源地震干涉法研究地应力对识别断层位置的影响，得出地应力和断层倾角的增加会使预报的断层位置比实际位置更接近掌子面。将数值计算所得修正值通过二元二次函数回归分析拟合出一个含地应力和断层角度的修正公式。应用HSP(Horizontal Sonic Profiling)法对白马隧道掌子面前方不良地质体进行了超前地质预报。计算出预报段最大地应力增加约2.2MPa，据此对隧道进口预报结果修正约7.5m，实际开挖结果与修正后的预报结果基本一致，提高了传统超前地质预报在高地应力条件下不良地质体位置预报的准确性。