随着国家将川藏铁路建设工程列入国家“十三五”重点建设工程项目,必将涌现出一批工程地质条件复杂、施工难度大的隧道建设工程。由于复杂的地质构造和频发的含水地质灾害给隧道施工建设带来了巨大的挑战,使得我国已经成为遭受隧道含水地质灾害最严重的国家之一。提前探明隧道前方的地质构造和含水不良地质赋存形态已经成为隧道和地下工程建设亟待解决的关键难题。针对上述工程建设难题,通过数值模拟和现场试验,对人工锤击震源进行分析。通过激发参数、排列参数和接收参数三个方面对适宜于富水浅埋暗挖隧道的三维观测系统进行研究。在地震波传播理论、弹性固体介质应力应变关系和基于双相介质的达西理论的基础上对地震波法超前探水问题进行研究。将构建的地质预报系统在珠三角城际铁路隧道进行现场地质预报实验和应用,通过分析基础理论和对比实验结果,取得下列研究成果。锤击震源具有频率低、浅层连续性好、穿透性强、具有方向性、干扰波少等特点,可以作为富水地区软岩隧道的人工震源。现场试验结果表明,使用震源垫板可以明显地提升地震信号的能量和均匀性,18磅铁锤和面积为20cm×20cm,厚度为2cm钢制垫板配合使用,激发人工地震波的效果最佳。提出了适宜于“新奥法”开挖的三维观测系统,将检波器和震源位置按照平面方式展布于开挖较快的双侧导洞,震源位置布置于检波器两侧,检波器及震源点的间距均为1.5～2米。根据地震波传播的基础理论,结合弹性固体介质中的应力应变关系得出了地震波瞬时振幅和瞬时频率与固体应力梯度的关系。根据简化后的双相介质模型与流体动力学达西理论,提出基于弹性介质的定向预报含水不良地质定量识别方法。根据珠三角城际两处隧道现场实际地质预报试验结果与掌子面的实际揭示结果,该体系与地质预报系统对前方不良地质条件预报准确,尤其对含水不良地质,敏感性强,且对围岩不产生扰动,工作效率高具有较好的推广价值。