隧道工程涉及到铁路、公路、水利、矿山等多个建设领域，我国的十三五规划对基础设施的建设又提出了新的要求，这意味着隧道工程建设量将不断增加。因此实时掌握和提前了解隧道工程地质环境信息对隧道安全施工有着极为重要的意义。传统的地质分析方法，通常具有耗时长、成本高、一孔之见等缺点，提供的地质资料与实际工程所遇到的地质情况相差较大，地震法超前探测技术在这种环境下被提了出来。地震法超前探测技术，具有采样灵活、耗时较短、预报距离长等优点，解决了传统超前探测耗时费力的问题，可以对掌子面前方岩体破碎状态、围岩级别以及含水状况等作出预测和描述，对于指导安全施工具有重要推广意义。但是就国内外应用和发展水平来讲，仍然处于待研究、待改进和待完善状态。本文全面概括了隧道超前探测技术和相关设备，依次分析了传统地质分析方法、电学类超前探测方法和地震波法超前探测方法的原理、特点、优势及劣势，采用理论分析、数值模拟、系统设计以及现场测试等多种手段相结合的方法，对隧道超前探测技术进行了全面的研究、提高和完善，并研发了超前探测采集设备，在工程中成功应用，取得的主要成果如下:　　1、地震波正演模拟时，分别阐述了声波方程和弹性波方程的原理及正演模拟需要注意和满足的重要条件（如频散条件、稳定性条件、边界条件及初始条件等），然后分别利用声波正演和弹性波正演模拟了TSP观测布置方式下隧道内地震波的传播规律，我们发现:在二维情况下，不添加隧道段空气介质模拟更贴合实际;弹性波模拟掌握了富水溶洞条件下的传播规律和波形特征;提出了改进的观测系统，并利用正演验证了其科学性和便捷性。　　2、对真实采集的地震记录进行了全面的研究和全流程的处理，包括波形校正、频谱分析、数字滤波、波场分离和预测反褶积等。分析了隧道围岩对地震波的响应特征，处理得到了信噪比更高的地震数据，提高了后续预测分析的准确性和分辨率，使数据具备了直接进行偏移计算的条件。　　3、实现了准确的速度建模，并对偏移算法进行了改进研究。利用剩余曲率法结合叠前时间偏移，实现了更加准确的速度建模;在积分法偏移时，利用三维动态规划法提供更加准确的初至波旅行的同时，代入三维的积分偏移中计算;三维逆时偏移可以有效利用地震波的动力学特征进行精确的偏移成像，两种方法对比，一致性较好。　　4、编制了数据处理程序，实现了前述的地震资料预处理直至偏移计算的全流程处理，为将来成熟软件的封装和开发提供了条件。　　5、通过全面的分析考量，提出了更加完善、准确、方便的采集系统设计，并围绕该设计，对系统组成、性能指标及采集模式提出了详细要求，最终按要求研制的采集设备在实际工程中得到了成功地初步应用，并对采集的数据进行了处理，对相应工程的地质情况进行了预测。将前述的处理分析代码进行集成和包装，形成了全流程一体化的数据处理软件，具有操作简便明晰，成像效果直观及分析结果准确全面等优点。