近年来,在我国的国民经济继续延续良好发展势头的大背景下,国内基础设施建设取得了重大发展成就,在高速铁路和高速公路的建设中,隧道工程的数量较之以前明显增多,隧道的长度也明显增大。隧道属于地下工程,其围岩地质情况通常比较复杂,经常会遇到软弱地层、溶洞、高应力、断层等不良地质情况,如果没有进行可靠的超前地质预报,这些地质隐患就有可能变成工程灾难。20世纪90年代初,瑞士Amberg测量技术有限公司研发出一套超前预报系统设备——TSP (Tunnel Seismic Prediction)隧道地震预报系统,该系统基于地震波反射原理,其最大特点是探测距离远(可达掌子面前方100-200m)、分辨率高、资料解释快、对施工影响小等。但是由于实际复杂地质和工程条件,导致隧道中地震波场非常复杂,给TSP的解释工作带来一定困难。另外,在探测岩溶等复杂非层状地质目标体时,由于不满足反射波探测的基本条件,基于层状介质反射原理的TSP系统通常会出现预报准确率下降,有时甚至表现出无能为力。因此,采用数值模拟方法,研究和认识典型不良地质条件下的隧道地震波场特征,可以为TSP隧道地震预报的资料处理和解释提供坚实的应用理论基础,对于促进隧道地震预报的理论和方法也具有重要的科学意义。本文通过研究弹性波场的有限元数值模拟方法,用ANSYS软件完成了对隧道地震预报(TSP)地震波场的2D数值模拟,建立了20个不同地质情况下的隧道数值模型(隧道前方断层模型8个,隧道前方空洞模型12个),并对得到的数据经过格式转换、频率滤波、F-K滤波、τ-p变换,研究和认识典型复杂地质条件下的隧道地震波场特征,为TSP隧道地震预报的资料处理和解释提供坚实的应用理论基础,促进隧道地震预报的理论和方法。本文的主要结论有以下几点：当隧道前方存在垂直于隧道轴线的断层时,成像位置准确,而当前方的断层倾斜时,需要进行偏移成像。在倾斜断层模型中,存在视速度远大于直达波速度的反射波。对于隧道前方的空洞,空洞越大反射波越强。另外,依据P波、s波反射波的强度,可以有效的区分出空洞中填充的空气、水、软弱土等不同介质。在隧道前方不良地质体类型不明的情况下,可以利用反射s波的特征识别出填充水或空气的空洞。