隧道地震超前预报是获取隧道掌子面前方地质信息的地球物理技术，在保障隧道施工安全中有至关重要的作用。TSP(Tunnel Seismic Prediction,TSP)隧道超前预报系统作为应用最为广泛的地震勘探技术之一，其在数据处理过程中的速度分析环节仍有一定缺陷。本论文旨在提出一种新的速度分析思路。
　　本文的主要工作是将极化分析方法引入到速度分析环节，挖掘多分量地震数据的潜在信息，提出一种能够准确计算掌子面前方围岩波速的算法。算法研究完成了以下工作：
　　研究了地震波有限差分数值模拟基本原理，从几何方程、本构方程和纳维尔方程构建地震波波动方程，选取交错网格中心差分格式完成方程离散化；分析差分方程求解的关键问题，完成了震源加载、完全匹配层边界条件、数值频散及稳定性研究；编写MATLAB程序完成了隧道模型的地震波正演数值模拟。
　　研究极化分析方法基本原理，基于极化分析提出波速分析算法。极化分析对象为多分量地震信号，TSP超前预报系统采集的信号为适用于极化分析方法的三分量地震波信号。分析基于标准协方差和自适应协方差矩阵的极化分析方法，获取极化方法求出的极化特征参数，联合参数中的极化方位角和倾角时差计算公式得出速度的计算方法，提出了速度扫描生成速度谱的算法。
　　建立了不同不良地质体的隧道模型，包括不同倾角的断层模型和不同位置的岩溶模型，数值模拟出各模型的地震波信号；将模型采集的地震波信号代入基于极化分析方法的波速分析算法，各模型求出的极化方位角和速度谱检索出的介质波速均与模型预设值相符合，验证了极化波速分析算法的有效性；利用该算法分析现场试验数据得到了可靠结果。
　　本文提出基于极化分析方法的波速分析算法具有可行性，对于TSP精确计算围岩波速有一定理论意义与实际价值。