隧道穿越高山、峡谷和溪流,在交通、水利水电、采矿、市政工程以及国防地下工程中占有举足轻重的地位。在复杂的地质和水文条件下进行隧道施工,随时可能遇到溶洞、断层、破碎带等各种地质异常体,若不能在施工前掌握地质异常体的分布情况,采取对应的措施,极有可能引发突水突泥、塌方等工程事故。为防止可能出现的地质灾害,必须进行超前地质预报,掌握地质异常体的具体情况,为隧道工程施工组织设计提供指导依据,提前采取相应的预防措施,保证隧道工程建设的周期和投资。本文主要研究弹性波反射法超前地质预报,针对隧道内观测空间有限的问题,通过大量的模型试验和现场试验进行对比分析,优化设计三维观测系统,设置合理的三分量检波器安装位置和炮点布置间距,利用三分量检波器采集高质量地震记录。由于采集到的原始地震记录同时存在有效波和干扰波,利用常规的一维频率域滤波不能有效的滤除与有效波频谱接近的干扰波,因此根据有效波和干扰波在视速度上的差异性,采用F-K法进行二维滤波,只保留掌子面前方的有效波信号,抑制干扰波信号,提高了信号的信噪比。本文结合现有超前地质预报研究的基础上,利用地震波绕射扫描偏移迭加原理和共反射面元叠加原理,采用多参数方法进行三维成像。其中速度参数是地震资料处理和成像过程中非常重要的参数,地震成像质量依赖于成像速度,并且对速度的误差具有很强的敏感性。本文利用速度扫描对比分析方法进行地震波速度分析,把速度谱上的用平均振幅表示的能量团与迭加信号进行对比分析,准确的得出地震波速度,得到高精度的纵横波三维成像图。通过对纵波三维成像和横波三维成像进行对比分析,结合地质勘查资料综合判断地质情况,并通过理论模型和实际工程试验验证了三维成像隧道超前地质预报的准确性。