TBM施工方法因具有掘进速度快、成洞质量高、高效安全等优点,被广泛应用于长大隧道施工。TBM对于不良地质体和复杂地层的适应能力较差,若未能探明掌子面前方地质情况并及时处治,容易导致刀具异常磨损、刀盘损毁等后果,甚至造成TBM卡机报废、施工人员伤亡等严重工程事故。因此,十分有必要在TBM施工过程中进行超前地质预报,及时探明不良地质体并进行处理,保障TBM安全高效掘进。TBM施工方法机械结构庞大、工序衔接紧密、掘进速度快,使得容许探测时间短、可用探测空间狭小,给传统隧道超前探测方法的应用带来了较大的困难。TBM破岩震源地震超前探测方法采用“变噪为源”的思想,可随TBM掘进探测掌子面前方断层、溶洞等不良地质体。但是现有破岩震源探测数据处理方法常重视异常体的界面成像,而忽视了波速的反演,直接利用直达波波速进行成像。这一方面导致难以实现波速和界面的双参数地质解释;另一方面由于波速不准确,导致界面成像精度受限。因此,亟需研究适用于TBM破岩震源探测的波速精确计算方法,优化反射界面的成像效果,实现波速和界面的联合解释。针对上述TBM破岩震源探测波速求取困难和界面成像精度受限的难题,本文采用理论分析、数值计算与现场试验的方法,以适用于TBM破岩震源探测数据的高精度反演与成像方法研究为核心,开展了互相关干涉方法、全波形反演方法、逆时偏移成像方法相关研究,实现了 TBM破岩震源探测数据的全波形反演与逆时偏移成像。针对隧道典型不良地质开展了系统的数值模拟及处理分析,总结了相应的反演成像特征。最后,本文方法在现场工程中得到了较好的验证。本文的主要研究工作及成果如下:(1)基于子波估计和波形校正的互相关地震干涉方法。对比常用的地震干涉方法,选用了较为稳定的互相关干涉处理破岩震源探测数据,并利用重叠时间窗和加窗谱估计方法提升虚源地震记录恢复效果;在此基础上,针对地震干涉法所得虚源地震记录振幅、相位信息准确性偏差的问题,使用基于高阶累积量的子波提取算法提取虚源记录子波,并根据参考子波对虚源地震记录进行波形校正,得到以雷克子波为震源子波的虚源地震记录,为后续处理提供可靠数据基础。(2)基于波速校正和正则化的隧道全波形反演方法。全波形反演是一种公认的高精度波速反演方法,但对初始波速模型要求较高,本文提出基于多重积分变换波场和归一化积分目标函数的全波形反演方法,可在不佳的初始模型下取得较好的反演效果。隧道地震探测数据量过少且偏移距过小,会导致全波形反演出现多解性问题。为此,本文假定掌子面前方地质结构体内部波速变化平缓、地质结构之间波速变化剧烈,据此提出了波速校正和正则化方法,将其引入隧道地震全波形反演,降低了反演的多解性,提升了波速反演效果。(3)基于反演波速和相干因子的逆时偏移成像方法。逆时偏移成像是一种高精度的反射界面成像算法,其成像精度依赖于波速模型。本文使用全波形反演提供较准确波速模型,提升了逆时偏移成像的定位精度。破岩震源数据主频较低,使得成像结果分辨能力不强,为此本文使用相干因子校正方法,改善成像结果的分辨能力。(4)基于多次探测数据联合处理的TBM破岩震源探测全波形反演和逆时偏移成像方法。将前三项研究内容结合,实现了破岩震源探测数据的全波形反演和逆时偏移成像,得到掌子面前方不良地质体的较精确位置和形态。同时将掘进过程中近距离多次破岩震源探测数据联合处理,提升全波形反演和逆时偏移成像的稳定性,得到更优的反演和成像结果。针对隧道典型不良地质体开展系统的数值模拟试验,揭示了典型不良地质体的反演和成像特征,提出了初步的地质解译准则。基于上述研究成果,利用吉林引松供水工程、新疆某工程、云南高黎贡山公式实测数据开展试验验证,成功反演和成像出掌子面前方的断层、岩体破碎等不良地质,验证了本文方法的有效性和可靠性。