隧道建设中经常会遇到断层破碎带、煤层、岩溶、富水等不良地质问题,隧道地震超前预报是利用地球物理方法获取隧道掌子面前方地质信息,对于保证施工进度与安全至关重要。利用计算机模拟地震波的传播过程,不仅有利于了解地震波的传播规律、特征,也为隧道地震资料反演和解释提供有力依据。然而,地面地震数值模拟方法不能适用于隧道空腔复杂环境模拟,因此,研究隧道地震数值模拟方法及信号处理方法,对于探测模式、设备研发和数据解释具有重要理论意义和实际价值。论文通过对二维隧道建模,利用有限差分法模拟隧道内地震波场,研究在不同地质体情况下地震波的响应特征,并利用线性Radon变换提取反射波并分离纵横波,主要完成了以下工作:(1)从弹性力学三大基本公式建立的波动方程出发,基于任意高阶交错网格有限差分形式,分析了一阶速度-应力方程的交错网格差分离散公式。讨论了有限差分法中关键问题的处理,包括震源选择和加载、数值计算稳定性、数值频散、人工边界和隧道掌子面边墙的自由边界问题。(2)研究了线性Radon变换、抛物线Radon变换和双曲线Radon变换的基本公式和性质,讨论了频率域最小平方线性Radon变换的原理及其更高分辨率方法。通过对隧道反射波时距曲线进行Taylor展开,研究了线性Radon变换算子的物理意义以及对非线性时距曲线的变换误差,并通过数值模拟讨论了线性Radon变换对不同倾角界面反射波分离的适应性。(3)通过编制Matlab程序实现了隧道地震波的有限差分数值模拟,讨论并比较了隧道边墙和掌子面激发地震波的波场特征与差异。基于掌子面激发方式模拟并分析了断层、溶洞等不良地质体情况下的波场特征,分析了隧道复杂波场的响应特征,并验证了线性Radon变换进行纵横波分离的有效性,为地震数据处理和解释提供依据。(4)利用TETSP-2隧道地震超前预报系统在重庆缙云山隧道进行工程实验,分析了波场分离在实际地震资料处理中的应用,验证其能够较好的提取反射波并分离纵横波,最终预报结果与实际开挖情况对应比较一致。