随着我国经济的快速发展和城市化进程的不断加快,城市轨道交通仍然呈现快速发展的态势。掘进机具有快速、高效的特点被广泛应用于城市地下空间的建设。在城市地铁施工过程中,遭遇断层破碎带、复合地层、孤石、岩溶等不良地质体,容易引发突涌水、塌方、路面塌陷、地表建筑物倾覆等灾害事故,带来严重后果。因此,提前探明隧道掘进机前方赋存的断层破碎带、溶洞等不良地质情况,对于施工安全和灾害防控非常重要。地震波法对断层破碎带、溶洞、复合地层等界面信息敏感,目前已成为隧道超前地质预报的主流方法,针对大中型致灾构造探测而言,已经在实际工程中取得了较好的工程应用效果。然而,当前洞内超前地质预报方法频率低、子波波长宽、分辨能力不足,难以满足精细探测需求。因此,针对米级-亚米级不良地质精细探测的迫切需求,亟需开展隧道掘进机高分辨率精细化超前地质预报理论方法研究。为此,本文将“高频声波+阵列式观测”引入隧道超前地质预报领域,提出了隧道掘进机阵列声波超前地质预报创新思路:以高频声波作为激发源,从源头提高探测分辨率,通过阵列式观测获得更加充分的波场信息,为精细探测提供观测数据保障,结合两者优势共同提高成像结果分辨率,有望实现城市环境下隧道掘进机精细超前地质探测。然而,由于探测环境不同,将该方法在隧道掘进机施工中进行实际应用,面临以下难题:1)掘进机观测面观测空间受限,掘进机观测空间即为狭小,刀盘上可用于搭载探头的位置有限,如何在少量探头条件下实现波场信息的充分观测;2)隧道掘进机噪声强烈,如何压制噪声提高观测数据信噪比;3)刀盘开挖岩体导致掌子面前方存在开挖扰动区,引起信号畸变,造成波速计算不准确,直接影响了异常地质体的定位精度;4)多个米级-亚米级不良地质体并存条件下,导致反射波信号存在相互串扰叠加,易造成成像结果模糊,精度降低。因此,亟需开展精细探测观测系统设计、隧道掘进机噪声去除方法、不良地质体较准确波速获取和精细成像方法,实现针对米级-亚米级灾害源的阵列声波超前地质精细探测。针对城市隧道掘进机施工阵列声波超前地质精细探测的难题,本文利用理论分析、数值模拟、物理模型实验和现场试验等方法,提出了“利用高频声波以提高探测分辨率,引入阵列式观测以提升观测能力”的隧道掘进阵列声波超前地质精细探测方法。分别开展了隧道掘进机阵列声波稀疏观测系统设计、基于结构复杂度引导的预测滤波噪声去除方法的理论研究、基于反射矩阵畸变矫正的速度分析方法和基于方位扫描时间反转的精细成像方法的研究,并对成像特征及探测分辨能力进行归纳,验证了本方法的有效性和适用性,为隧道掘进机阵列声波超前精细探测现场数据的处理和异常地质体的解译提供理论基础和保障。在此基础上,研发了阵列声波地质预报仪器样机,形成了隧道掘进机阵列声波超前地质精细探测成套方法、软件和仪器系统并开展了试验验证。本文主要研究内容及成果如下:（1）刀盘旋转稀疏的阵列声波精细探测观测系统设计。针对少量探头稀疏观测下波场信息充分获取的需求。本章通过研究基于探测目标区覆盖度分析的观测系统评价方法确定观测系统评价方法,优选获得初始的面阵观测形式,在此基础,建立基于刀盘旋转的阵列声波观测系统设计方法,提出等效初始面阵的观测系统稀疏方法,实现阵列声波稀疏观测。在此基础上,利用刀盘旋转形式构建稀疏观测的数据组合,为实现精细探测提供重要前提保障。（2）基于SCG—PF的掘进机阵列声波非稳定数据去噪方法。针对城市隧道掘进机施工噪声干扰强,缺乏隧道掘进机数据处理的方法。本章通过隧道掘进机实测噪声,揭示了隧道掘进机噪声具有时-空差异强的特点,以倾角信息为桥梁构建数据特征与结构复杂度之间的关系,提出基于局部结构复杂度引导的自适应因子计算方法,构建了基于自适应滤波因子的去噪模型,实现随机掘进机非稳定数据去噪。该方法以噪声特征为出发点,实现了时-空差异化的噪声去除,提高数据的信噪比。（3）基于反射矩阵畸变矫正的波速计算方法。高频声波在穿越刀盘开挖扰动区域时波场产生畸变,导地下介质的波速信息的较准确获取是实现精细成像的前提致像精度不足波速估计不准确。本文首先构建了基于投影变换的声波相位畸变矫正方法,矫正高频声波穿越刀盘开挖扰动区带来的反射矩阵畸变,基于反射矩阵主对角线宽度反映波速准确程度提出了 Radon变换的速度谱分析方法,获取异常地质体的波速分布。（4）基于方位扫描的时间反转精细成像方法。针对多个米级-亚米级不良地质体临近导致信号相互影响,造成成像精度不足的问题。本文引入基于接收数据的方位扫描方法,声波信号的伪谱能量函数,并以扫描方向为约束构建方位信息矫正的格林函数,求解声波信号的响应,在此基础上,利用反射信号的协方差矩阵,构建包含时间反转算子的异常地质体精细成像方法,实现米级-亚米级不良地质体的精细成像。在上述研究的基础上,研发了阵列声波超前地质预报仪器样机,形成了隧道掘进机阵列声波精细超前地质预报成套方法、软件和仪器系统,并在济南张马屯铁矿、青岛胶州湾第二海底隧道进行了现场探测试验,探测结果和实际分布情况基本一致,验证了本文方法的有效性和适用性。