当地铁隧道穿越复杂地质时，如何确保内部钢纤维混凝土衬砌的质量？传统检测需“开膛破肚”，而我国科研团队与新加坡合作的最新研究显示，探地雷达（GPR） 技术可实现无创检测，通过300MHz最优频率精准识别多层介质界面，为盾构隧道安全再添“智慧防线”。这项成果发表于《Frontiers of Structural and Civil Engineering》，以新加坡深层隧道污水处理系统（DTSS）二期工程为案例，通过数值模拟、模型实验和现场测试，首次建立了钢纤维混凝土-钢筋混凝土（SFRC-RC）复合衬砌的GPR信号衰减公式。

从“盲测”到“精准定位”：隧道衬砌检测的世纪难题

盾构隧道的复合衬砌如同“地下堡垒”，由钢纤维混凝土（SFRC）、钢筋混凝土（RC）和防水层组成，其中钢纤维的随机分布能显著提升抗裂性。但传统检测手段面临两难：钻芯取样会破坏结构，而普通GPR因钢纤维的“电磁散射干扰”，常出现信号“一团乱麻”。新加坡DTSS二期工程中，这种复合衬砌厚度达427.5毫米，如何穿透多层介质并分辨界面，成为工程师的“心头大患”。

研究团队创新引入gprMax数值模拟技术，首次将钢纤维的随机分布和精确参数（直径0.75毫米、长度60毫米）植入模型。模拟发现，不同频率雷达波表现迥异：300MHz能清晰穿透至深层注浆层，而700MHz信号在SFRC层就衰减过半，如同“近视眼”看不清远处。这为现场检测提供了关键指导——就像给雷达装了“焦距调节器”，300MHz成为破解多层界面的“黄金频率”。

三步“透视法”：给隧道做“电磁CT”

这项技术的核心在于“模拟-实验-验证”的闭环研究：

1. 数值模拟选频：通过gprMax生成含随机钢纤维的三维模型，测试300MHz、400MHz、600MHz、700MHz四组频率。结果显示，300MHz能同时识别防水层、SFRC层、RC层和注浆层的界面，而高频信号虽分辨率高，却“穿透力不足”，如同用显微镜看不透厚书本。
2. 模型实验验证：在实验室预制与实际隧道结构一致的试件，用300MHz和700MHz雷达扫描。300MHz信号不仅清晰显示各层界面，还能捕捉到背后钢板的强反射，而700MHz仅能识别表层，验证了模拟结论。
3. 现场测试定标：在新加坡DTSS二期隧道中，5.6米测线的实测数据显示，300MHz雷达波的功率衰减符合指数规律，其衰减系数（0.133）远低于700MHz（0.261），证明低频信号在SFRC-RC复合衬砌中传播更稳定。

从实验室到地下工程：每公里检测成本降低60%

这项技术已在新加坡DTSS二期工程中应用，相比传统钻芯法，检测效率提升20倍，且每公里成本降低60%。更重要的是，研究团队建立的功率衰减经验公式，通过单参数指数拟合，可定量计算不同频率下的信号衰减，为同类工程提供了“检测手册”。例如，300MHz雷达在200毫米SFRC层中，信号强度仅衰减15%，足以穿透至深层注浆缺陷。

研究团队指出，目前技术对潮湿环境的适应性仍需提升，未来计划结合AI算法优化信号去噪。论文第一作者李康表示：“300MHz频率就像一把‘ Goldilocks’雷达——既不过分穿透导致模糊，也不过分聚焦失去全局。”这项成果为盾构隧道的智能化检测开辟了新路径，让地下工程安全“看得见、摸得着”。

来源: FrontCIVlL