Cuando hacemos []
matchea UNO de los que está adentro por ello va a matchear "-" y por separado ">", para capturar "->" hay que hacer otro grupo (?=->)
.
Los corchetes no los está matcheando en absoluto, el primer elemento está matchando en verdad "(" pero como el Positive Lookahead matchea pero no consume los caracteres, al hacer split deja al match en el grupo siguiente, el "[" queda afuera del match de "(" al hacer el split.
Para usar una única expresión regular, la misma debería incluír los corchetes y por separado "->" asi:
(?=[pq^()\[\]])|(?=->)
Dejo un prueba de concepto en JavaScript con una sintáxis muy similar a Java.
const expresion = "[(p->q)^p]->q".split(/(?=[pq^()\[\]])|(?=->)/g)
console.log(expresion)