随着我国经济飞速发展,在铁路公路交通、水利水电、能源矿山、市政工程以及其它领域需要修建大量隧道。隧道施工中经常遇到多种复杂地质条件和不良地质地段,涌水、岩爆、瓦斯突出、塌方等严重隧道地质灾害时有发生,轻则影响施工进度,重则引发重大工程事故,有时甚至会造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此,超前地质预报是隧道施工中必不可少的环节。采用隧道超前地质预报技术能够提前探明隧道掌子面前方存在不良地质体构造、位置,对于保证施工安全、灾害预防与控制极为重要。隧道超前预报技术兴起于20世纪70年代,其中隧道地震超前预报(Tunnel Seismic Prediction,TSP)能够利用地震反射波勘探方法获取前方不良地质体的岩性、位置和规模等信息,具有探测精度较高、探测距离相对较远的优点而备受工程界青睐。但是隧道复杂的围岩地质情况使得地震波场异常复杂,目前隧道地震波超前探测技术在工程应用中仍存在一些亟待解决的问题:(1)当前TSP技术探测距离为100～200 m,具体情况与地质条件和环境噪声干扰等有关,当前工程界需要更远距离的探测技术,进而提高工作效率;(2)TSP探测中,采集系统除了收到掌子面前方的反射信号,还会收到侧方的反射信号,难以区分,容易误判,造成探测结果不可靠;(3)隧道侧方不良地质体的探测对隧道的围岩加固和安全施工极为重要,然而,目前很少有针对隧道侧方目标的探测技术;(4)TSP探测距离的远近与噪声情况密切相关,典型的噪声干扰有工业电、水泵振动以及大量的随机性噪声,严重影响隧道围岩速度的估计,进而影响地质体构造的岩性分析,导致探测结果不可靠。隧道定向地震波技术可以利用接收阵列数据形成具有方向性的地震波束,能够增强相干信号,抑制随机干扰,实现方向性滤波功能。因此,可以考虑将定向地震波技术应用于隧道环境以解决隧道探测距离近、探测结果不可靠以及侧方目标探测等问题。论文的研究思路如下:首先,定向地震波技术可以采用阵列方式形成方向性的地震波场,并增强该方向内的地震波场强度;同样,当应用于隧道时能够增强掌子面前方的地震波波场强度,进而达到增加探测距离,提高探测精度的目的。其次,可以采用定向地震波技术方向性滤波的特性,滤除其它方向的干扰波,只保留前方有效波,进而区分前方信号和侧方干扰,提高探测结果的可靠性。然后,在对隧道侧方目标进行探测时,可以将隧道侧方作为目标方向进行地震波处理,进而获得隧道侧方目标的有效信号。最后,由于系统采集的有效信号经常会伴随着周期性和随机性的干扰,因此需要先对周期性干扰进行压制,再采用定向地震波技术压制随机干扰,进而达到改善探测结果的目的。本文围绕理论方面、远距离探测需求、侧方目标信号识别提取和强周期性干扰中定向地震波方法等四个方面,展开对隧道环境中定向地震波形成理论及方法的研究,主要内容如下:理论方面,首先从复杂地质条件下的地震波定向理论入手,系统推导了复杂地质条件下变频定向地震波理论并分析变频定向波的特性;其次,通过数值模拟技术分析了复杂地质条件下变频定向地震波对目标信号的改善能力;最后,野外实验结果表明采用9元阵列定向地震波技术后,探测深度从60 m增加到240 m,在实验角度进一步验证了定向地震波的有效性。针对隧道掌子面前方远距离探测需求,研究了基于隧道环境的定向地震波方法。由于TSP系统采集的数据道数相对较少,直接采用定向地震波技术进行处理会引入虚假多次波干扰(False Multiple Wave Interference,FMWI),在地震记录上呈现出多个同相轴的特点,导致工作人员对地质结构解释的误判。研究表明,FMWI出现的本质原因是多道噪声叠加时增大了相邻记录的相关性;为了降低或破坏这种由于数据量小带来的数据相关性影响,首次提出了随机错位延时隧道定向地震波(Random Dislocation Directional Seismic Wave,RDDSW)理论及方法;并通过数值模拟分析,证明了该方法能够很好地压制FMWI,明显地改善数据质量,有助于增加探测距离。在进行隧道侧方目标探测时,由于地震波入射角范围大,时常会有转换波的产生,导致波场极其复杂,难以区分前方和侧方目标信号;针对地震波探测隧道侧方目标存在的问题,我们提出了基于隧道侧方目标识别和提取的KL-beamforming方法;在不同噪声环境中采用该方法提取侧方目标信号时,我们提出了直接估算法、局部相关法和方向扫描法等延时参数估算方法,能够有效地提取侧方目标信号,为后续确定不良地质体的空间位置、形状和大小奠定了理论基础。在隧道地震超前探测的实际应用中,经常会伴随着工业电和水泵等强周期性的干扰,然而定向地震波方法无法压制周期性的干扰;针对定向地震波在处理周期性干扰的不足,提出先采用Hankel-SVD-ICA方法对记录中周期性干扰进行压制,然后再采用定向地震波方法进一步对记录中随机干扰进行压制;数值模拟和野外实验数据分析结果表明,Hankel-SVD-ICA方法可以有效地压制周期性的干扰,并且不损害有效信号;采用RDDSW方法能够有效地压制随机干扰,进一步地改善数据质量,进而提高探测距离和精度。综上所述,本文首次提出了基于隧道环境的定向地震波理论,并研究了隧道超前地质探测的定向地震波方法。首先,采用变频定向地震波技术针对典型的复杂介质情况进行了研究,并验证了其可行性和有效性;其次,针对隧道前方和侧方的探测目标,深入研究了RDDSW、KL-beamforming方法对增加探测距离和提取侧方信号的有效性,并针对不同噪声水平提供了相应的延时参数估算方法;最后,针对隧道环境中的强周期性干扰提出了Hankel-SVD-ICA方法,有效地压制了工频及水泵干扰,提高了隧道的探测精度。论文的主要创新点包括:复杂地质条件下变频定向地震波,针对隧道环境提出了RDDSW、KL-beamforming以及针对周期性干扰压制提出了Hankel-SVD-ICA方法。