随着我国基础设施建设的不断发展,我国隧道建设工程逐渐向山岭地区转移,出现一批深长隧道,工程规模大、建设难度高,给施工安全带来极大挑战。在隧道等地下工程施工过程中,经常遭遇断层破碎带、软弱地层、溶洞等不良地质,若未能提前获知隧道沿线不良地质的准确分布情况并提前处置,在施工中易发生突水突泥、塌方等重大灾害事故,轻者导致机械损毁、工期延误,重者导致隧道改线、人员伤亡等。因此,在隧道施工期开展超前地质预报提前探明掌子面前方的地质情况,对隧道施工安全和灾害防控十分重要。在隧道超前地质探测方法中,地震波法因其具有较长的探测距离和对界面较好的识别效果,获得了发展并得到了广泛应用,然而,受隧道狭小观测空间等客观困难所限,在波速获取方面尚存在一些问题:①有的方法震源和检波器在同一条测线上,这种直线式观测方式缺少隧道径向的偏移距,难以准确计算波速;②有的方法直接采用直达波波速近似替代前方岩体波速,只适用于简单地质情况;③有的方法采用走时反演或层析成像的方法,只利用了地震波的到时信息,本质上是一种高频近似方法,在复杂地质条件下的波速计算精度不足。针对以上问题,本文将地面地震勘探领域所用的频率域全波形反演方法引入到隧道超前探测当中,结合隧道环境的特殊性对方法进行了相应的调整优化,充分利用地震波场的运动学和动力学信息求取更加准确的波速结果,在此基础上,针对隧道中较为典型的几种不良地质体,开展了系统的正反演模拟和偏移成像研究,验证了本文方法的有效性及可靠性。同时,通过室内试验得到了适用于吉林引松供水工程现场的岩体波速与抗压强度经验关系,以岩体波速作为桥梁,为隧道地震超前预报进行掌子面前方岩体抗压强度评价提供了依据。通过本文研究,能够实现隧道掌子面前方地质情况和岩体抗压强度的超前探测,为现场施工提供指导,有助于工程安全高效建设的顺利进行。本文的主要研究工作及成果如下:(1)基于频率域全波形反演的隧道掌子面前方岩体波速获取方法。针对传统方法对隧道掌子面前方岩体波速计算不准的问题,将地面地震勘探领域所用的频率域全波形反演方法引入到隧道地震超前探测当中,结合隧道环境的特殊性对方法进行了相应的调整优化,使其适用于隧道复杂环境,能够计算得到较为准确的波速结果。(2)典型不良地质体的隧道地震超前探测全波形反演及偏移成像特征。总结了隧道施工中常见的几种典型不良地质体类型,建立了不同尺寸的岩性分界面、断层和溶洞模型,开展了系统的隧道地震波超前探测正演模拟、全波形反演及偏移成像研究,验证了本文方法的有效性及可靠性,并为实际工程中典型不良地质体的探测和地质解释提供了依据。(3)基于岩体波速分布的岩体抗压强度评价方法。依托吉林引松供水工程获取了大量现场岩样,开展了岩样波速和单轴抗压强度室内测试,基于已有关系模型得到了符合吉林引松供水工程现场的波速-抗压强度关系,为隧道地震超前预报进行掌子面前方岩体抗压强度评价提供了依据。通过本文研究,能够实现隧道掌子面前方地质情况和岩体抗压强度的超前探测,相关成果在吉林引松供水工程TBM3标段开展了试验验证和现场应用,所得结果与实际开挖揭露结果基本一致,验证了本文方法的有效性。