隧道工程作为交通建设的咽喉,其安全和高效地施工一直受到人们的重视。但隧道围岩地质情况复杂多变,施工过程中断层破碎带、岩溶等不良地质体极易造成突水突泥、围岩失稳等地质灾害。因此,开展隧道超前预报的工作,准确掌握隧道掌子面前方的地质情况,并提前做好预防工作,是隧道工程安全和高效施工的重要保障。隧道超前预报技术主要是从20世纪70年代开始兴起的,其中地震反射波法超前预报技术以其精度高,探测距离远,而备受工程界青睐。但隧道复杂的围岩地质情况使得地震波场异常复杂,难以识别有效波场和获取较可靠的成像结果。目前,针对隧道超前预报的研究主要是从波场正演模拟与成像两方面进行的,但二者仍然在以下几个方面值得进一步的研究和探讨:1)对于隧道正演模拟来说,通常采用的方法是有限差分,有限差分在处理隧道这种特殊的弧形自由边界时往往比较困难,不利于获得符合实际的隧道空间地震波场响应特征;2)对于隧道超前预报偏移成像方法的研究大多是采用Kirchhoff偏移或是绕射扫描偏移,而对目前公认的成像精度最高的逆时偏移也大多是基于二维空间,缺乏针对隧道地震超前预报三维逆时偏移成像的研究以及有利于成像的观测系统讨论;3)目前针对隧道地震超前预报中获得的多分量地震资料,主要的处理流程是基于声波偏移或是纵横波分离式的标量偏移。由于隧道地震资料的复杂性,往往很难通过对地震记录进行波场分离获得纯纵波或是纯横波资料,在偏移成像时,残留的能量容易对成像造成干扰。针对目前隧道超前预报研究中值得进一步探讨的问题,本文开展了基于有限元法的隧道三维空间弹性波波场模拟和基于弹性波逆时外推的隧道三维纵波逆时偏移成像研究。主要工作及成果如下:(1)基于二阶位移弹性波波动方程,利用虚功原理推导并建立了三维弹性波波场模拟的有限元方程,并介绍了具有二阶精度的显式Newmark差分算法的实现过程;对比分析了行压缩存储(CSR)以及一维变带宽存储对稀疏矩阵的存储效率;在给出了非结构网格下有限元爆炸震源的加载方式下,实现了三维有限元弹性波全波场模拟,为后文开展逆时偏移成像研究提供了基础。(2)基于完美匹配层理论,详细推导并建立了基于二阶位移波动方程的分裂完美匹配层(PML)边界条件和非分裂卷积完美匹配层(CFS-UPML)边界条件的有限元方程,通过与解析解对比验证了本文有限元模拟面波的正确性,对比分析了两种边界条件对面波、掠射角入射波和近地表高泊松比介质下的吸收效果,以及长时间计算的稳定性情况;最后对有限元在三维倾斜自由表面模拟面波的正确性进行了验证。研究结果表明:具有网格剖分灵活以及自动满足自由边界条件等优势的有限元法能够获得较精确的面波记录,并且适应于复杂环境下的波场模拟;CFS-UPML边界条件在对掠射角入射波的吸收效果以及高泊松比介质中的长时间稳定性方面更具优势,但计算效率要低于PML边界。(3)基于隧道施工过程中常见的不良地质体(岩性分界面、溶洞)的结构特点,构建了三维隧道地质地球物理模型,实现了隧道波场的三维弹性波全波场模拟,并进行了隧道波场特征分析,增强了对隧道波场传播特征的系统认识,为隧道地震反射信息的识别提供了理论依据。分析结果显示:炮点位于隧道边墙时,岩性分界面产生的反射横波能量相对来说要强于反射纵波;检波器布置在靠近倾斜界面一侧的隧道侧壁上时,获得的反射纵波能量强于另外一侧,更有利于反射纵波成像;溶洞充填空气时,反射波的能量最强,其次是充填水,而充填软弱土产生的反射波能量最弱。(4)在分析了弹性波逆时偏移成像基本理论的基础上,对逆时偏移成像中的关键步骤(波场分离、成像条件以及成像噪音压制)进行了详细的分析和讨论,并对其在隧道逆时偏移成像中的适用性进行了验证。结果表明:采用基于Helmholtz分解的方法能够有效的对隧道波场进行纵横波解耦,以及边界存储策略的互相关成像条件的实施方式,能够有效解决三维逆时偏移的内存消耗问题;基于Poynting矢量和Laplace滤波的方法能够有效消除隧道逆时偏移成像中的低频噪音干扰。通过上述讨论,最终建立了基于多分量地震资料-弹性波波场外推-纵横波分离-弹性纵波成像的隧道地震超前预报三维弹性纵波逆时偏移成像的流程。(5)在隧道有限元三维弹性波波场模拟以及弹性波逆时偏移成像的研究基础上,实现了基于弹性波逆时外推的隧道三维纵波逆时偏移成像。基于60°倾斜界面模型,对影响隧道成像结果的主要因素(观测系统以及噪音)进行了讨论,结果表明:基于弹性波逆时外推的三维弹性纵波成像能够有效的进行隧道成像;双边观测系统更有利于倾斜界面的成像,理论记录成像结果表明采用一条排列即可满足成像精度要求。噪声讨论结果表明:当噪音比例小于等于50%时,获得的成像剖面均较为可靠;随着噪音比例的增加,成像结果中虚假同相轴的能量不断增加,当噪音比例大于70%时,成像结果才会受到虚假成像同相轴的干扰,可见,本文采用的隧道逆时偏移成像流程具有较好的抗噪性。(6)基于上述三维弹性纵波逆时偏移成像的流程,开展了隧道典型不良地质体的理论模型(与隧道轴线成90°夹角)成像研究。结果表明:本文采用的基于多分量地震资料和弹性波波场外推的三维弹性纵波逆时偏移成像方法能够有效的对掌子面正前方不良地质体理论模型进行成像。通过与倾斜界面以及侧面溶洞的成像结果对比可知,偏移剖面中与隧道轴线成90°夹角的地质体成像能量相对较弱,因此,在高背景噪声情况下,很难实现对与隧道轴线成90°夹角地质体的精确成像。(7)基于本文讨论的观测系统以及三维弹性纵波成像方法进行了实际隧道地震超前预报资料的成像研究,通过对含有噪音记录的成像,说明了本文采用方法具有一定的抗噪性;与二维偏移成像结果的对比,验证了本文采用的成像方法的可行性和有效性。本文的创新性成果主要体现在:(1)基于二维分裂PML边界条件,将其有效的扩展到了三维空间,并实现了基于二阶位移方程的分裂PML边界条件和CFS-UPML边界条件的有限元隧道地震全波场模拟;(2)有效实现了三维隧道纵波逆时偏移成像,并对影响成像精度的关键参数进行了系统讨论与分析,建立了满足成像精度要求的观测系统,形成了基于多分量地震资料-弹性波波场外推-纵横波分离-噪声压制-弹性纵波成像的隧道地震超前预报三维弹性纵波逆时偏移成像的流程。