近些年来我国高速铁路建设规模逐步加大的同时,也渐渐走向了国际舞台。然而随着运营时间的增长和运营里程的加大,高铁线下结构出现了贯穿裂缝、层间离析、脱空汲水等病害现象。如何能快速准确的检测到多层线下结构的层间病害将会成为当前土木工程中亟待解决的课题。针对高铁线下结构的特点以及现有的层间病害的形式,本文基于弹性波在多层介质中的传播理论结合多波多分量地震勘探技术提出了全波场无损检测方法。该方法是以电子技术、计算技术和图像处理技术的最新发展成果为基础研发的全新检测手法。与传统的弹性波法和超声波法在数据采集、分析方法和检测精度上都有着很大的不同。首先详细分析了高铁线下结构特点以及线下结构存在的病害类型及成因,在此基础上建立了三维有限元数值模型。基于三维弹性波动方程,分析了弹性波在多层状介质中的传播特性以及薄层干涉效应。尤其是介质参数对结构内部波动场的影响,以及其对介质表面的投影的影响,包括介质表面的响应能量及卓越特性。结果表明,多层介质内部存在薄弱层时,结构内部波动场由于层间阻抗,出现软脱层上部的强反射以及软弱层下部的能量衰减。其表层投影表现为响应能量的增大及卓越特性的放大。针对高铁线下结构的三维几何特点,分析了几何边界对波场的影响以及表层响应特性的影响,评价了几何边界的影响范围。基于有限元数值模拟的结果,提出了全波场无损检测方法,建立了全波场无损检测系统。该系统是一种单点激发、多点接受的全方位成像技术。由各种冲击锤进行不同频域的震源激发、一系列的三分量检波器以及其阵列组合进行数据采集,记录介质表面的波动场的大小和方向。通过复杂的数学分析,包括响应能量分析方法与卓越频谱特性方法,由波动场数据构建介质内部结构的3维图像和物性分布。详细介绍了数据采集方式、数据分析方法以及缺陷评价方法。为验证全波场无损检测方法在高速铁路线下结构病害检测中的有效性,开展了预设缺陷的1:1比例尺高铁模型试验研究。采用点激发点接收的采集方式,网格状采集结构表面的三方向波场信息,通过对采集的全波场数据进行分析处理,评价了预设缺陷的位置及空间分布,与缺陷设计位置进行比较取得了良好的一致性。最后针对运营线路层间病害特点以及运营线路的检测要求,开发了快速检测系统,并实施了对实际运营线的病害检测,检测结果与注浆施工的情况进行了对比。本学位论文及相关研究得到了国家自然科学基金面上基金项目《复杂岩土工程介质中全波场传播特性及相关无损检测方法研究》的资助,项目批准号:11372180。以及中国铁路总公司科技开发计划课题《高速铁路线下工程病害机理与快速检测识别技术研究》的资助,项目批准号:2013g004-a-1。