新建隧道施工过程中常常伴随着断层破碎带、软弱夹层及溶洞等不良地质体,往往会造成工期延误、经济损失甚至是人员伤亡等严重后果,因此提前探明隧道沿线地质状况具有重要意义。地震波法隧道超前预报技术具有较远的探测距离,且能够准确、直观的预报掌子面前方复杂地质灾害情况,但由于隧道空间环境的复杂性,地震波法超前探测还存在许多问题。为提高地震波法隧道超前探测的精度与准确性,本文通过理论分析、数值模拟、现场实验相结合的方法进行研究,主要内容和结论如下:基于弹性介质理论,分析人工地震波在非均匀介质中传播规律,发现岩石初始应力会对地震波参数产生影响,得到了人工波从非预应力半空间穿过预应力半空间时两质点压力梯度变化与地震信号参数之间的关系。结合隧道三维地震勘探技术,分析了常见隧道超前预报观测方式的优缺点,提出了具有双向偏移距的隧道定向超前预报观测系统,通过计算三种类型观测方式的覆盖次数,发现9检波器、12震源观测系统更适合隧道环境。利用ANSYS/LS-DYNA建立数值模型,计算分析了地震波在不同地质条件下的传播规律,计算结果表明:软质岩体对地震波频率敏感,硬质岩体对地震波频率不敏感;高频波衰减快,低频波衰减慢,且低频波要比高频波的穿透性强,能够传播更远距离;地震波在穿过软弱夹层时会消耗大量能量;通过频谱分析发现,直达波主频和频带宽度数值拟合曲线呈幂函数衰减,反射波主频和频带宽度数值拟合曲线为常函数;通过分析三维模型地震道集,发现能明显区分各种反射波信息,验证了本文所建立观测系统的可行性。通过张吉怀铁路沿线现场锤击实验,分析了不同岩性条件下人工地震波激发规律,研究结果表明锤击震源主频主要集中在125Hz、325Hz附近,且随着岩体强度等级的提高,高频成分人工波占比逐渐增大。将上述研究成果应用于现场工程实例中,通过对比预报结果与实际揭露情况,二者基本吻合,验证了本文提出的地震波法隧道超前地质预报的可靠性与准确度。