随着国家经济建设发展,交通工程建设需求增加,隧道作为复杂地质区域交通基础设施建设的优选方案扮演者越来越重要的角色。在实际隧道施工中存在着塌方、突水等各种地质灾害的潜在威胁,由于隧道施工过程在地质体内部,施工中若不能准确了解隧道周边的不良地质体（带）,所造成的各类损失将极其惨重,为满足隧道安全高效的施工要求,为隧道施工安全保驾护航的隧道超前探测成为研究重点。因此开展隧道超前探测工作,进行高精度、高分辨率隧道超前勘探方法的研究,对实现隧道前方精细探测和保证工程施工安全具有重要意义。隧道地震超前预报具有探测距离长,对大型地质体地质结构面识别效果较好的优点,是一种被广泛应用的隧道超前探测类方法,但传统隧道地震超前预报方法也存在对于薄层、复杂地质体、小异常体的形态和位置信息识别能力不佳等问题,无法满足不良地质体精细探测的需求,因此亟需更有效的方法对掌子面前方不同地质结构进行精细刻画。全波形反演作为高精度拟合方法,它利用地震记录中全部的运动学和动力学信息反演地下参数,具有精细刻画复杂地质构造的能力。为满足隧道超前探测的高精度要求,本文将全波形反演的方法引入三维隧道空间超前探测中。论文基于三维交错网格有限差分数值模拟方法,通过对隧道自由边界条件分类赋值,实现了三维的隧道全波场模拟,基于三维时频域多尺度全波形反演提出了适用于隧道的多尺度频率组选择策略得到分辨率更高的隧道全波形反演结果,同时通过采用Marchenko一维成像的方法为全波形反演提供初始模型来提高反演分辨率。论文所取得的主要成果如下:（1）实现了三维隧道模型的有限差分交错网格正演模拟。对有限差分正演模拟中三维隧道自由边界问题进行讨论并完成了隧道自由边界网格点分类赋值,得到了包含面波的隧道空间全波场并设计模型对隧道自由边界面波模拟效果进行了验证。（2）实现了三维隧道弹性波时频域全波形反演,建立了适用于隧道空间的基于波数覆盖和抗混叠条件组合频率组选择策略。基于野外隧道超前预报参数及观测系统设置,构建了用于全波形反演的隧道模型,通过对不同频率组选择策略隧道空间多尺度全波形反演结果对比,表明了该方法在提高隧道空间全波形反演分辨率上的优势。（3）在频率组选择策略优化的基础上,对比分析了不同观测系统和不同隧道模型以及不同厚度破碎带模型全波形反演的结果。得出了在同一隧道地质模型为反演对象的情况下,观测系统震源排列组合对反演结果存在影响,震源排列范围越大,反演结果准确度越高。而相同观测系统在不同类型地质模型中反演效果则与模型地层走向与隧道轴向夹角相关,夹角越小观测系统接收信息越多,反演结果越好,同时相同参数下全波形反演对不同厚度的低速破碎带速度和形态反演准确,反演结果能保持较高的分辨率。（4）引入Marchenko成像的方法到隧道全波形反演中,用于建立初始模型并进行多尺度全波形反演。将均匀背景反演结果中地层信息应用于Marchenko成像的界面识别结果,得到初始模型进行多尺度的全波形反演,并完成与平滑初始模型的反演结果对比。表明了Marchenko成像初始模型的全波形反演结果既减少了对初始模型的依赖,又更有效利用了隧道超前预报地震记录信息,并且在提高隧道全波形反演速度结构准确度上具有明显优势。（5）应用多尺度全波形反演方法到野外隧道地震超前预报记录中。对野外数据进行滤波和能量均衡,以及与隧道理论模拟记录的相位和能量对应,将处理后的实际数据进行多尺度全波形反演。通过对比反演得到的前方速度结构结果与野外开挖结果,验证了隧道全波形反演方法在应用中的可行性。本论文的创新之处主要体现如下:（1）基于隧道超前预报参数构建隧道三维地质模型和观测系统,完成了三维隧道模型的多尺度全波形反演。提出了适用于隧道空间的基于波数覆盖和抗混叠条件组合的多尺度全波形反演频率组选择方法,得到了隧道空间分辨率更高的反演结果。（2）将Marchenko成像的方法引入到隧道全波形反演中,提出基于Marchenko成像建立初始模型进行多尺度全波形反演的方法。通过一维Marchenko成像得到了掌子面前方界面信息和速度信息,综合背景速度反演提供地层倾角走向得到初始模型进行多尺度的全波形反演,得到更加准确的隧道速度结构反演结果。