随着社会的发展和科技的进步,工程质量的要求越来越高,铁路、公路需要在隧道中修建,那么隧道的挖掘就成为重要的环节。但是由于掌子面前方地质状况不清楚,潜在的地质危险因素比较多,如果冒然开挖,必将出现各种地质险情,如坍塌、突泥突水等,隧道施工进度会受到很大的影响,甚至造成人员的伤亡和经济的损失。因此,研究隧道超前地质预报势在必行,很多专家和学者都在努力的研究,希望能尽可能的了解掌子面前方的地质情况,为更安全的隧道施工提供依据。论文比较详细地阐述了隧道超前地质预报的发展状况,通过对比说明隧道地震法超前预报的优点。地震波反射波法有TSP、负视速度法等,其中负视速度法的资料处理简单快捷,甚至在现场就可以得到预测结果。隧道超前负视速度法就是通过在隧道壁布置炮点和检波点,炮点和检波点在一条直线上,并且垂直于隧道掌子面,这样得到的反射波时距曲线和直达波时距曲线的交点即是掌子面的位置。论文通过波动方程有限差分正演,对掌子面前方存在各种界面时地震波场进行数值模拟,并在垂直和水平方向布置检波器取得地震记录。通过波场快照和地震记录研究了隧道壁激发条件下各界面反射波的特征,为负视速度法的解释提供了合理依据。在正演计算中,采用分区衰减法来处理隧道自由边界,使隧道内波场值衰减为零,有效地降低了隧道的影响;用完全匹配层(PML)来处理人工边界,消除了边界造成的干扰。对于小倾角界面(<60o)的负视速度法的常规顺势延伸法,存在误差大的问题,论文通过理论模型分析建立多项式拟合、连分式插值、一元三点插值处理时距曲线,能够有效的降低误差到1%-5.5%,提高了解释的准确性。文中设置了五个模型来研究掌子面前方地震波场的特征和地震记录中直达波和反射波的时距曲线的特点。对于正演的得到地震记录,传统方式是通过顺势延伸时距曲线来确定界面位置,这样得到误差随着界面倾角变小越来越大,本文提出采用插值拟合的方式来处理时距曲线,对比两种方式,插值拟合的误差很小,并总结了负视速度法时距曲线规律。对于多层界面,还要对时距曲线进行校正,采用能量守恒的方式来求出相邻区域的速度值,然后对时距曲线进行校正,对比研究可以得到在处理多层界面时,可以减小误差。正演模拟为研究隧道地震波传播的运动学和动力学提供参考,反演为处理和解释隧道地震波数据提供理论基础。