近年来随着我国隧道修建的规模和难度越来越大,在隧道施工中越来越容易遭遇突水突泥、失稳塌方等灾害,极易导致重大人员伤亡和经济损失。因此,在隧道施工中提前探明掌子面前方赋存的不良地质,对于防控隧道突水突泥、失稳塌方等灾害,保证隧道施工期的安全是十分重要的。目前针对隧道超前地质预报的研究工作主要集中在地震波超前探测方法、电磁波超前探测方法和电法超前探测方法等几种方法上,然而这几种方法的分辨率较低,难以满足对掌子面前方不良地质的精细化探查需要。而跨孔雷达只需要利用隧道施工中的超前地质钻孔或超前预注浆/帷幕注浆孔,就可以对两孔之间的地质情况进行精细化探查,而且具有探测距离远、分辨率高和对含水体敏感等优点,能够满足对掌子面前方不良地质的精细化探查需要。但是对跨孔雷达而言,由于观测方式的不同,无法像普通地面雷达那样根据雷达接收波形图对异常体的分布进行判断,必须对跨孔雷达的探测数据进行反演和偏移成像,而传统的基于射线追踪法的反演和偏移成像方法,由于在理论上存在不足导致效果并不理想,急需能够满足对掌子面前方不良地质精细探测需要的反演和偏移成像方法。因此针对上述问题,本文提出了将跨孔雷达用于隧道超前地质探测中,并以全波形反演方法和逆时偏移成像方法为切入点开展了系统的研究,针对传统全波形反演的初始模型和非唯一性问题,提出了基于Laplace域初始模型与不等式约束的跨孔雷达全波形反演方法;同时针对传统逆时偏移成像用于跨孔雷达探测受限的问题,提出了基于全波形反演结果做初始模型,并利用干涉法将跨孔探测数据合成单孔反射数据的跨孔雷达逆时偏移成像方法,最终形成了适用于隧道施工环境中的跨孔雷达全波形反演方法和逆时偏移成像方法,通过系统的数值模拟和反演成像试验,揭示了几种典型不良地质的反演规律与成像特征,并通过工程应用进行了验证,取得了较好的结果。本文取得的主要结论和创新点如下:(1)针对目前常用的隧道超前地质预报方法中存在的问题,提出了将跨孔雷达用于隧道超前地质预报的方法,并对隧道不良地质跨孔雷达超前探测的观测方式进行了探讨。该方法具有如下优点:探测距离远,分辨率高,对含水体敏感,且通过反演方法能够获取地质异常体的介电常数和电导率分布情况,并通过偏移成像方法能够获取地质异常体的边界信息,能够满足对掌子面前方不良地质的精细化探查需要;针对浅埋隧道和深埋隧道,分别提出了利用地表竖直钻孔和洞内水平/倾斜钻孔进行不良地质探测的观测方式。(2)针对目前跨孔雷达全波形反演中存在的问题,研究了基于反演策略优化、初始模型优选和不等式约束的跨孔雷达全波形反演方法。其中反演策略采用了共轭梯度迭代方法和抛物线迭代步长,初始模型采用了 Laplace域全波形反演结果,并在反演过程中分别对相对介电常数和电导率施加了基于参数向量法的不等式约束,改善了初始模型问题和非唯一性问题,最终提高了全波形反演的效果。(3)针对将传统逆时偏移成像方法应用于跨孔雷达探测中存在的问题,研究了基于全波形反演和波干涉虚源算法的改进逆时偏移成像方法。该方法将全波形反演的结果作为逆时偏移成像的初始模型,并且利用波干涉虚源算法将跨孔探测数据合成单孔反射数据,改善了由于跨孔雷达探测中电磁波反射信号较少导致成像结果不理想的问题,最终提高了逆时偏移成像应用于跨孔雷达探测中的效果。(4)针对隧道前方不良地质的精细探测及解释识别等难题,开展了针对隧道施工中遭遇的典型不良地质的全波形反演和逆时偏移成像的系统研究,揭示了典型不良地质的反演规律及成像特征。本文在数值模拟中建立了岩性界面、断层破碎带、岩溶管道和裂隙网络等典型不良地质结构的地质模型,并针对不良地质体中无水和含水的不同情况,分别使用水平钻孔和倾斜钻孔两种观测方式,开展了全波形反演和逆时偏移成像的系统研究,为实际工程中典型不良地质体的精细探查奠定了理论基础。最后形成了用于隧道掌子面前方不良地质精细探查的跨孔雷达超前预报方法,并在实际工程中得到了成功的验证与应用。