在我国目前的隧道建设中,深埋长大隧道的占比越来越大,复杂多变的地质情况和不可预测的地质灾害都给隧道的修建带来了不小的困难,受到常规的地质勘察技术的限制,在隧道设计阶段不能对隧址区进行详细的勘察,因此在隧道建设过程中,隧道超前地质预报技术作为一种地质勘察技术的补充,对隧道的安全施工有重要的意义。本文通过研究隧道地震波场中瑞利面波的椭圆极化特征,开展隧道面波预报技术研究,通过数值模拟和现场试验两个方法开展相关研究,总共进行了以下几个方面的工作:(1)基于有限元软件ANSYS,开展隧道地震波场的三维模拟,通过比较,选择合适的单元类型、网格尺寸和频散的关系,以及分析边界对模拟结果的影响。通过模拟表明当网格划分设置为0.5米时,可以消除频散效应带来的影响,粘弹性边界可以三维计算中很好的吸收边界反射。(2)进行面波全波场数值模拟研究。选取均匀介质模型、低速带模型和空洞模型三种模型进行全波场的数值模拟,从中提取地震时间记录和时间切片,拟合出不同模型的椭圆轨迹和长短轴曲线,分别对瑞利面波在均匀介质、低速带、空洞三种情况下产生的椭圆极化特征进行比对分析。(3)现场锤击试验研究。基于实际隧道中采集的单点低频三分量地震记录,拟合其椭圆轨迹图和长短轴曲线,分析瑞利面波的椭圆极化特征,反演出掌子面前方的地质结构,并与TSP和地质雷达的解译结果进行比对,验证隧道面波预报技术的可行性和可靠性。本文的研究成果表明,建立单点激发单点接收的观测系统,就可以利用瑞利面波的椭圆极化特征进行隧道地质超前预报工作,拓宽了瑞利面波在隧道工程中的应用范围,还为目前的隧道超前地质预报技术提出了一种新的思路,对于该学科的理论完善以及技术的发展都有积极的影响。