我国已成为隧道建设规模和难度最大的国家,施工过程中如遭遇不良地质构造,容易发生突水突泥、塌方等灾害事故,采用隧道超前地质预报技术提前查明掌子面前方的不良地质情况、及时制定合理的处理预案与施工方案是目前行之有效的解决方法。近年来,地球物理超前预报方法在隧道施工中得到越来越广泛的应用,其中地震波法因具有界面成像精度高、探测距离远等优点成为隧道超前地质预报的重要方法。在隧道地震超前探测中,高精度偏移成像方法一直是研究的热点,随着我国隧道工程不断向西部迈进,复杂的地质条件对地震偏移成像精度提出了更高的要求。为此,需针对隧道地震偏移成像方法开展系统性的研究,提高隧道地震偏移成像的精度。目前,虽然已有前人针对隧道地震偏移成像方法开展了初步研究,但仍存在一些关键问题:隧道地震超前探测偏移成像方法主要为射线类偏移方法与逆时偏移方法,偏移成像结果分辨率有限,且隧道环境下,纵波、横波耦合串扰导致较多低频噪声或伪影,严重影响偏移成像结果。鉴于最小二乘逆时偏移成像方法在高分辨率、高振幅均衡性等方面的优势,本文将最小二乘逆时偏移成像方法引入隧道地震超前探测中,为进一步压制纵波、横波耦合串扰导致的偏移成像结果中存在低频噪声或伪影,进一步开展了基于解耦弹性波动方程的隧道最小二乘逆时偏移成像方法研究,主要工作内容和创新点如下:（1）针对高阶交错网格有限差分中差分系数精确度与计算效率问题,分别提出了基于模型驱动的优化差分系数计算方法与人工神经网络加速计算方法,有效压制了差分代替微分引起的空间数值频散,实现了解耦弹性波动方程的高精度正演模拟;（2）针对最小二乘逆时偏移算子对不匹配导致累积误差问题,在解耦弹性波动方程的基础上,通过矩阵形式推导了其伴随波动方程,并构建了最小二乘逆时偏移的波场延拓算子对及偏移成像算子对,且通过点积测试验证了其精确伴随关系,有效消除了迭代过程的累积误差,保证了隧道最小二乘逆时偏移成像迭代算法的稳定收敛;（3）在解耦弹性波动方程高精度正演模拟方法及精确伴随算子对的基础上,采用波阻抗扰动作为迭代收敛模型参数,并基于伪Hessian矩阵设计了预条件算子,提高了迭代过程的收敛性,最终形成了基于解耦弹性波动方程的隧道最小二乘逆时偏移成像方法;（4）构建了岩性分界面模型、断层破碎带模型、溶洞模型以及复杂模型,开展了系统的数值模拟偏移成像对比,分析了偏移成像结果的成像特征,充分验证了解耦弹性波最小二乘逆时偏移对于隧道复杂地质环境的适用性。在此基础上,开展了现场试验与应用,进一步验证了本文方法的有效性、可靠性和实用性。