隧道超前地质预报对于保障隧道施工安全起到了关键性的作用,绝大部分隧道工程项目都将超前地质预报列为必要的技术环节。由于瑞雷波勘探具有设备成本低、受场地限制小、应用领域广、检测快速方便等优点,因此把瑞雷波勘探引入公路隧道施工超前地质预报,开展了隧道瑞雷波频散曲线正演、信号去噪与提纯、频散曲线提取等方面的研究。根据隧道典型地质异常即断层破碎带设计了三个类别共七种模型,通过对瑞雷波频散方程的推导和求解,开展了隧道地质异常频散曲线正演研究。研究表明隧道掌子面前方的异常带会使瑞雷波频散曲线产生“之”字形拐点,“之”字形的起跳位置基本反映了地质异常的位置,且“之”字形变形跨度与地质异常的位置、尺寸规模和性质都有很大的关系,地质异常埋深越浅、地质异常的尺寸规模越大、低速特性越明显,则之字形变形跨度越大。分析了瑞雷波勘探技术应用于隧道超前地质预报的原理,结合工程实践,提出瑞雷波勘探合适的测点布置及数据采集方式。针对原仪器采用信号叠加去噪的效果不良的情况,基于小波分析原理进行瑞雷波信号去噪研究,分别利用小波阈值及小波模极大值两种方法开展去噪研究,通过仿真实验和工程实例,指出小波阈值方法能够很好地去除高频随机噪声,但对于去除干扰波并没有突出的作用,而小波模极大值方法不但能够有效去除随机噪声,而且根据瑞雷波的能量特征,能够起到滤除干扰波的效果。考虑到瑞雷波和其他干扰波在能量特征、传播速度、持续时间及信号相关性等多方面的存在特征区别,提出一种基于经验模态分解(EMD)的瑞雷波信号提纯新方法。通过对经验模态分解基本原理理论分析和推导,建立瑞雷波信号EMD提纯的实施算法并编制程序。研究表明勘探记录信号通过EMD分解后,得出了具有不同物理意义的本征模态函数(IMF),使瑞雷波信号和其他干扰信号能够有效区分开来,从而巧妙地将瑞雷波信号提纯出来,并通过了工程实例验证。指出该方法具有自适应性、稳定性和可靠性。由于隧道掌子面横向净宽有限,无法采用多道瑞雷波技术。应用基于两道技术的表面波谱法提取频散曲线,根据其存在的深部探测分辨率不高的不足,提出增加采样点的改进算法并编制出程序。改进后的算法能够提高深部分辨率,增强了地质异常的识认性。根据小波变换同时具备时域-频域分辨的特点,突破原有方法均采用傅里叶变换的瓶颈,提出了基于小波分析的频散曲线提取新方法,通过理论推导建立了小波分析提取频散曲线的算法,并编制程序,经实验和工程实例研究分析表明,小波变换法是计算瑞雷波频散曲线的一种非常有效的方法,且具有提纯性能好、可靠性高、局部分辨率高、深部探测精度高的优点。