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EVALUACIÓN NO DESTRUCTIVA DE ESTRUCTURAS DE OBRA CIVIL MEDIANTE TÉCNICAS GPR. PROYECTO SITEGI: UNA INTRODUCCIÓN A SU EMPLEO EN

TÚNELES. F. J. PREGO MARTÍNEZ X. NÚÑEZ NIETO Ing.º de Caminos, Canales y Puertos Prof. Ing.ª Mecánica Grupo de Investigación de Grupo de Investigación de Geotecnologías Aplicadas Geotecnologías Aplicadas ETS Ing.ª Minas ETS Ing.ª Minas Universidad de Vigo Universidad de Vigo Vigo (Pontevedra), España Vigo (Pontevedra), España Dpto. I+D Extraco, S.A. y Misturas, S.A. Centro Universitario de la Defensa Ourense, España Marín (Pontevedra), España javiprego@gmail.com xnnieto@cud.uvigo.es central@extraco.es; central@misturas.es M. SOLLA CARRACELAS P. ARIAS SÁNCHEZ Prof. Ing.ª Mecánica Prof. Ing.ª Minas Centro Universitario de la Defensa Universidad de Vigo Marín (Pontevedra). España Vigo (Pontevedra), España Grupo de Investigación de Grupo de Investigación de Geotecnologías Aplicadas Geotecnologías Aplicadas merchisolla@cud.uvigo.es parias@uvigo.es RESUMEN: El Georradar (“Ground Penetrating Radar”, GPR) es una técnica geofísica, que se enmarca en el conjunto de técnicas de evaluación no destructiva (TND), con una cada vez más amplia y eficaz aplicación en la inspección, monitorización y diagnosis de patologías en diversos tipos de estructuras de obra civil. En este trabajo se presentan dos casos de estudio GPR para la evaluación y análisis de túneles. Dada la diversidad de tipologías de estas obras, el trabajo se centra en la inspección de un túnel de mampostería subterráneo para usos militares, y en otro túnel excavado en roca en la línea ferroviaria de Alta Velocidad Zamora-Ourense. El objetivo de esta comunicación es evaluar y difundir el potencial de los métodos GPR para la obtención de información de interés, tanto desde un punto de vista estructural (detección de humedades, oquedades, presencia de discontinuidades en los elementos de refuerzo, etc.), como de mantenimiento, conservación y gestión de este tipo de infraestructuras 1. INTRODUCCIÓN: Los túneles constituyen una parte importante de las infraestructuras de transporte modernas, y su uso es bien conocido desde la antigüedad, subsistiendo en la actualidad túneles romanos todavía visitables (como son, por ejemplo, los construidos para actividades mineras en Las Médulas –León- y en Monte Furado –Lugo-). A medida que se produjo el desarrollo de la ingeniería civil, y con la aparición de nuevas técnicas constructivas, los túneles se fueron afianzando como estructuras útiles y, en muchos casos, necesarias para salvar los obstáculos orográficos naturales que se interponían en las trazas de las vías y caminos empleados para el transporte de personas y mercancías, con el consiguiente impacto sobre la actividad socio-económica del ser humano. Será a partir de mediados del siglo XIX, con la llegada de la Revolución Industrial y de nuevos avances científico-tecnológicos, cuando estas estructuras se generalicen en carreteras y ferrocarriles, apareciendo además las primeras líneas de transporte subterráneas (Metros de Londres -1863- y Budapest -1896-). En paralelo a la generalización de estas estructuras, se hace necesario desarrollar nuevas técnicas y sistemas que permitan evaluar su construcción, estado, evolución en servicio y necesidades de conservación futura, habida cuenta de las importantes implicaciones de índole económica y de seguridad que traen consigo. Existen diversas técnicas no destructivas (NDT) que se utilizan para el estudio y evaluación de obras de ingeniería civil, como métodos eléctricos, electromagnéticos y sónicos/ultrasónicos, así como termografía infrarroja [1]-[2]. Cada método proporciona información diferente en relación a los materiales y características constructivas. El Radar de

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Penetración Terrestre o Georradar (Ground Penetration Radar –GPR–) es uno de los métodos NDT más recomendables en inspecciones rutinarias del subsuelo, ya que se trata de una técnica relativamente rápida que ofrece una imagen cualitativa interna de conjunto, al tiempo que proporciona tanto buena resolución como gran profundidad de penetración [3]. El GPR es una técnica geofísica que ha sido amplia y eficazmente aplicada en ingeniería civil desde mediados de la década de los años 70 del siglo XX. Se localizan trabajos de aplicación en la inspección y diagnosis de túneles, demostrando su potencial en la detección de espesores de diferentes capas de materiales y de gunita [4], así como para identificar defectos en la interfaz gunita/roca, tales como huecos o grietas [5]-[6] y problemas de humedades o exudaciones [7]. Se puede obtener también información adicional de gran interés, que ayude a definir elementos de refuerzo estructural (como armaduras), incluyendo corrosión [8], además de la existencia de elementos adicionales de sustentación, tales como cerchas metálicas [9]. En este trabajo se presenta el estudio GPR de dos túneles de diferente tipología, un túnel de mampostería subterráneo y un túnel excavado en roca, como técnica de apoyo a la supervisión durante las primeras etapas de construcción y de evaluación de estabilidad en la fase de control de calidad durante su ejecución. El propósito inicial fue examinar las posibles áreas de inestabilidad en los túneles: Conociendo la geometría de tales estructuras, así como la identificación de patologías en la construcción, se pretende proporcionar información adicional para la planificación de tareas de mantenimiento y reparación. Se consideraron distintos métodos de adquisición y procesamiento de datos, dependiendo del tipo de elemento estructural a analizar, así como sus características geométricas, además de los datos necesarios para la toma de decisiones constructivas o de mantenimiento. La propuesta contempló también complementar estos estudios con técnicas de visualización tridimensional (3D), que nos ofrezcan una visión completa del espacio-subsuelo ocupado, mejorando así la interpretación de los radargramas obtenidos con el GPR. 2. MATERIALES Y MÉTODOS: 2.1 Fundamentos del Georradar. El georradar es una técnica no destructiva orientada al estudio del subsuelo superficial y que se fundamenta en la capacidad de las ondas de radar de baja frecuencia (10 MHz – 2.5 GHz) para propagarse a través de medios poco conductivos. El método emplea una antena emisora para dirigir pulsos electromagnéticos de 1-20 ns de duración hacia el interior del terreno. Este frente de ondas es parcialmente reflejado al encontrar una discontinuidad o un cambio de material en el subsuelo, pudiendo ser detectado en la superficie mediante una antena receptora dispuesta a tal efecto. La adquisición de datos con el georradar suele realizarse orientando la antena hacia el subsuelo y registrando las reflexiones detectadas tras la emisión del impulso electromagnético, obteniendo así una traza. Al desplazar la antena sobre la superficie del terreno se irán detectando y almacenando el conjunto de reflexiones existentes bajo la línea de desplazamiento de la antena. De esta forma, el eje de abscisas de los radargramas, o registros de georradar, representará el movimiento de la antena en una determinada dirección, mientras que el eje de ordenadas muestra el tiempo de retardo (twt) entre la emisión del pulso y la detección de las reflexiones en la superficie por parte de una antena receptora, siendo éste, por lo tanto, un viaje de ida y vuelta. Si la velocidad (v) de propagación de las ondas en el medio es conocida, el eje temporal de ordenadas puede ser trasformado a profundidades (z) a través de la relación:

z=v.twt/2 (1) Una descripción pormenorizada del funcionamiento de los sistemas georradar puede encontrarse en las referencias [10]-[11]. 2.2 Caso de estudio 1: túnel excavado en roca en la línea de Alta Velocidad Zamora-Ourense. 2.2.1 Descripción de la obra. Los trabajos de análisis con GPR se realizaron en el denominado “Túnel de Seiró”, ubicado en la línea férrea de Alta Velocidad Lubián-Ourense, subtramo Porto-Miamán, que discurre por los municipios ourensanos de Baños de Molgas y Vilar de Barrio a lo largo de 6,5 km. Se trata de un túnel excavado de 1.842 m de longitud, de los cuales 1.798 m han sido excavados en mina en un macizo granítico meteorizado. Los otros 44 m se han construido como túnel artificial en ambos emboquilles mediante estructuras abovedadas de hormigón armado. Es un túnel de tipo monotubo, y por él discurrirán dos vías férreas paralelas. Consta de una sección interior de 85 m2 y contará con plataformas de evacuación en sus dos bocas, adosadas a los taludes laterales, con una superficie superior a los 500 m2.

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El túnel atraviesa capas geológicas de granitos meteorizados de grano medio y medio-fino, con diversos grados de alteración, y fue excavado mediante el método de “avance y destroza” (también denominado “Nuevo Método Austríaco”), recurriendo a la voladura en los casos de rocas más duras (con goma 2 “riogel” y nagolita), y excavando con rozadora o retroexcavadora las litologías más blandas. Los sistemas de sostenimiento empleados durante la excavación del túnel variaron de acuerdo con el grado de meteorización del macizo granítico por el que discurre, denominándose los diferentes tipos de granito I, II, III. IV y V, siendo el tipo I el más duro –se sostienen solo- y el V el granito más blando –requiere sustentación adicional-. Cuando el terreno presentaba capacidad portante suficiente (terreno más o menos duro: granitos I, II y III) se emplearon sistemas de sostenimiento ligeros, principalmente bulones y hormigón proyectado (gunita). En las zonas con granitos de tipo IV (terrenos blandos) se recurrió además a la ayuda de cerchas metálicas, colocadas cada 1-1.5 m, dotadas de chapas Bernold y arriostradas con vigas de hormigón armado, gunitando posteriormente todo el conjunto. Con este planteamiento los espesores de gunitado oscilaron entre los 5 y los 20 cm de espesor: 5 cm para granitos tipo I y 20 cm para granitos tipo V. Para terrenos especialmente blandos y granitos altamente meteorizados (tipo V) se emplearon sistemas de pre-sostenimiento adicionales, constituidos por paraguas de micropilotes de 10-12 m de longitud. Una vez colocados los diferentes tipos de revestimientos (cerchas, bulones y gunita, principalmente), el túnel se revistió interiormente con una capa de hormigón en masa HM-30, de 30 cm de espesor, dotado de fibras de polipropileno multifilamento con una dosificación de 2 kg/m3. En cuanto al suelo del túnel, está constituido por una solera convencional de hormigón en masa, de 60 cm de espesor (30 cm de HM-15 y 30 cm de HM-30) en los terrenos tipo I, II y III. Para granitos meteorizados tipo IV y V se colocó una contrabóveda adicional fabricada en homigón HM-30, dotada también de fibras de polipropileno multifilamento, de 30 cm de espesor.

Figura 1: Detalles constructivos del túnel de Seiró - boca sur y visera (a) y cerchas (b)-. Toma de datos con GPR en el túnel –contrabóveda- (c).

2.2.2 Adquisición y procesado de datos GPR. Para llevar a cabo el estudio georradar se utilizó un sistema RAMAC/GPR de la compañía Malå Geoscience. El objetivo de este estudio fue evaluar y analizar detalles constructivos que definen la calidad de la obra del túnel de Seiró. Entre los diferentes aspectos que se analizaron destacan: espesores de gunitado, posibles fallos en la interfaz gunitado- roca (tales como hendiduras, huecos, grietas, eflorescencias y humedades), así como la presencia y ubicación de cerchas metálicas como elementos de sustentación de refuerzo adicional. Se ha seleccionado una antena de frecuencia 1 GHz; el motivo ha sido que para la medición de capas de pocos centímetros de espesor se hace necesario una resolución apropiada: una alta frecuencia proporciona mayor resolución, frente a frecuencias menores que poseen mayor capacidad de penetración a mayores profundidades, pero con menor resolución para los detalles constructivos. Así, una frecuencia de 1 GHz proporciona una resolución vertical de 8-10 cm, y una penetración de aproximadamente 1-2 m. En la Tabla 1 se describen los parámetros de adquisición de datos establecidos. Para medir la longitud de los perfiles, y la distancia entre trazas, se acopló una rueda odométrica (encoder) a la antena GPR.

Tabla 1 – Parámetros seleccionados para la adquisición de datos. Frecuencia Distancia entre Trazas Ventana de tiempos Samples/trace

1 GHz 3 cm 45 ns 512

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Los datos GPR han sido procesados mediante el software ReflexW v.7.5 [12], aplicando la siguiente secuencia de filtrado: corrección de tiempo cero, filtro temporal ("dewow"), ganancia ("gain function" función exponencial con componentes lineal y exponencial), filtro espacial ("subtracting average"), y un filtro paso banda ("Butterworth"). 2.3 Caso de estudio 2: túnel de mampostería subterráneo 2.3.1 Descripción de la obra. Se trata de un túnel subterráneo con geometría simétrica compuesto por un pasillo central y varias ramificaciones laterales (Figura 2A), que concluye en una trifurcación final de galerías (Figura 2C). El corredor principal presenta dos tramos a diferentes niveles de profundidad, que están unidos por una rampa ascendente en el sentido de avance ubicada aproximadamente a la mitad de su longitud (Figura 2B). La construcción está formada por diferentes bloques de hormigón asentados unos encima de otros para formar un conjunto sólido, cuyo techo constituye la solera sobre la que se asienta la pista polideportiva de la Escuela Naval de Marín (Figura 2-imagen derecha). Durante el estudio se observaron problemas de humedad y condensación en determinadas zonas de la estructura subterránea de hormigón (Figura 2D), posiblemente debidas al inadecuado estado de mantenimiento de las tuberías de agua que recorren dichas secciones en la construcción subterránea.

Figura 2: Imágenes detalle del túnel: A) Pasillo central y ramificaciones laterales; B) Rampa en el medio del pasillo central; C) Trifurcación al final del túnel central, y D) Evidencias de condensación en el interior de una de las

ramificaciones laterales. En la imagen derecha: vista general del polideportivo y zona a prospectar. 2.3.2 Adquisición y procesado de datos GPR. Para la adquisición de datos GPR se empleó una antena apantallada de 500 MHz, estableciéndose como parámetros de ajuste para la toma de datos los descritos en la Tabla 2. El equipo se montó sobre un carro adaptado y equipado con una rueda taquimétrica (odómetro) que proporcionó la distancia entre trazas para generar el impulso, e informó, además, de la longitud total de los perfiles radar producidos.

Tabla 2 – Parámetros seleccionados para la adquisición de datos. Frecuencia Distancia entre Trazas Ventana de tiempos Samples/trace 500 GHz 2 cm 75 ns 512

Para una mejor interpretación y visualización de los datos obtenidos se han considerado metodologías de adquisición y procesamiento en tres dimensiones (3D). Para ello, se realizaron perfiles paralelos en dirección X a lo largo de toda la zona de estudio, con un espaciado entre perfiles de 20 cm. La malla prospectada final correspondió a un rectángulo de 20 x 40 m, con una profundidad de propagación de la señal de aproximadamente 5 m en aire.

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Una vez que los datos 2D se procesaron en ReflexW, se exportaron al módulo 3D del mismo software de procesamiento con el fin de crear un cubo 3D. Además del incremento equidistante de los perfiles, todos los radargramas se registraron con la misma distancia tanto de traza como de incremento de tiempo, por lo que el cubo se generó sin interpolación. Esta interpretación 3D de datos permite la extracción de perfiles 2D en ambas direcciones, longitudinal y transversal, con el fin de mejorar las correlaciones espaciales entre objetos dispuestos a distintos niveles de profundidad. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 Túnel excavado en roca-línea de Alta Velocidad Ourense-Zamora. Los resultados GPR obtenidos han permitido identificar con detalle los espesores y ubicación de la capa de gunita, que se localiza de 0 a 6 ns en el radargrama de la Figura 3. Esta interpretación fue posible a partir de la heterogeneidad y mayor intensidad que presentan las reflexiones en esa sección de la imagen, en comparación con las distancias (tiempos) más profundas. La presencia de grapas metálicas en el hormigón proyectado es la causa de dicho aumento en amplitudes (intensidad de reflexión) y de la heterogeneidad o complejidad en el patrón de reflexiones (causada por la variante disposición de dichas grapas). La identificacion de dicha capa permite extraer la reflexión generada en la interfaz gunita/roca, a 6 ns. De este modo, se obtiene el perfil longitudinal de espesores en términos de tiempos de retardo (ns) entre la superficie de contacto y dicha interfaz (Figura 3). Usando la ecuación (1), el espesor de la gunita (en centímetros) puede ser estimado a partir de la velocidad de propagación de la señal radar en el medio y la distancia de tiempo recorrida.

Figura 3: Datos GPR (1 GHz) mostrando la identificación de la capa de gunita y el perfil de espesores obtenido. Ha sido posible identificar también oquedades en la interfaz entre el gunitado y la roca (Figura 4). Además, se han detectado exudaciones de agua y eflorescencias, debidas principalmente a humedades e intrusiones de agua, que interactúan con la gunita a lo largo de la traza analizada.

Figura 4: Datos GPR (1 GHz) identificando la existencia de cavidades en la interfaz gunita/roca, y de exudaciones y eflorescencias.

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Otro elemento estructural de refuerzo que ha sido posible detectar es la presencia de cerchas metálicas en el interior de las superficies gunitadas (Figura 5). De este modo, la técnica estudiada nos permite determinar el número de cerchas empleadas, así como su configuración (número de elementos, separación entre las mismas, profundidades y recubrimientos).

Figura 5: Datos GPR (1 GHz) mostrando la presencia de cerchas metálicas en el interior de las superficies proyectadas

con gunita. 3.2 Túnel de mampostería subterráneo La Figura 6 muestra el modelo GPR 3D generado, que nos permite identificar la estructura interna del túnel. Observando la time-slice, o corte horizontal, se pueden identificar la galería central, ramificaciones laterales y trifurcación al final del pasíllo central (Figura 2). Sin embargo, aunque el túnel presenta una geometría simétrica en cuanto a ramificaciones laterales, tal y como se ha visto en la Figura 2A, no se observan las ramificaciones de uno de los laterales del mismo, excepto la que corresponde a la trifurcación. Esto se puede deber a una mayor acumulación de humedad en esa zona, según lo anteriormente citado en el apartado de descripción (Figura 2D), que produce una atenuación de la señal electromagnética y la consecuente pérdida de información.

Figura 6: Modelo GPR 3D generado con el software ReflexW: time-slice a 3.5 m de profundidad, mostrando la distribución estructural interna del túnel.

Dicha atenuación de la señal GPR puede estar relacionada también con un habitual proceso de corrosión en armaduras de refuerzo [13]. La Figura 7 muestra un radargrama adquirido en la dirección del perfil (eje X), donde se aprecian hipérbolas consecutivas, que indican la existencia de barras de refuerzo en acero. Estas transcurren a través de la estructura interna sobre el techo de las galerías que conforman el túnel. La hipótesis se sustenta en la proximidad de la sala de mantenimiento de la piscina del complejo deportivo bajo el que se ubica el túnel. Un mal sellado de las tuberías que circulan entre la piscina y la sala de mantenimiento conllevaría pérdidas de agua con un significante contenido de cloruros discurriendo por el techo del túnel. Los iones cloruro exponen el refuerzo a un efecto de alta corrosión mediante la oxidación de la superficie del acero. En otros estudios realizados [14], el uso de simulación numérica

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FDTD (diferencias finitas en el dominio del tiempo) ha permitido demostrar la alta influencia del contenido de cloruros (para contenidos del 1% de cloruros y 70% de humedad) en la propagación de la señal electromagnética y así ratificar la hipótesis asumida.

Figura 7: Datos GPR (500 MHz) en la dirección del perfil (eje X) que muestran dos galerías laterales y la presencia de

barras de refuerzo sobre las mismas (reflexiones hiperbólicas consecutivas). Este procesado 3D permite la extracción de perfiles 2D en ambas direcciones, longitudinal y transversal, con el fin de mejorar y comprender las correlaciones espaciales entre los distintos elementos estructurales en profundidad. La Figura 8 muestra la misma galería interpretada en la Figura 7, de 6 a 7 metros, en la dirección perpendicular (eje Y) al eje de adquisición de datos. Se interpreta la reflexion en el techo y suelo de la galería con una extensión de 4 metros de longitud. Se distingue también la zona intersección de 4 a 6 metros en el eje Y y a unos 8 metros en el eje X de la Figura 6.

Figura 8: Datos GPR (500 MHz) en dirección perpendicular (eje Y) que muestra la misma galería de la Fig. 7 (de 6 a 7

metros). 4. CONCLUSIONES Los resultados obtenidos han confirmado el empleo del GPR como una técnica no destructiva efectiva para el estudio y la prospección de túneles y espacios subterráneos. En el caso del túnel excavado de la línea de Alta Velocidad Zamora-Ourense, se demuestra que el georradar es una técnica idónea para control de calidad de los trabajos desarrollados en obra: en el presente estudio, de inspección en las primeras fases constructivas, ha sido posible documentar distintos aspectos constructivos y estructurales, como el espesor de gunita y la presencia de cerchas metálicas. También se han detectado problemas de humedades y la existencia de cavidades, aspectos que pueden aportar información de interés en cuanto al análisis de estabilidad de la obra. En el caso del túnel subterráneo de usos militares, se encontraron problemas de humedad en algunas de las galerías que conforman la estructura, debido a un inadecuado aislamiento del revestimiento del túnel. Esta información resulta de trascendental interés para el mantenimiento y estabilidad estructural en términos de ingeniería civil, y podría ser relevante en la futura toma de decisiones a la hora de planificar su conservación. Además, las estrategias 3D propuestas han mostrado su gran potencial como herramientas de apoyo para la interpretación de resultados en este tipo de estudios.

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5. AGRADECIMENTOS Los autores desean expresar su agradecimiento al Centro Universitario de la Defensa, a la Escuela Naval Militar de Marín, y a las empresas Extraco, S.A., Misturas, S.A. y a la U.T.E. Porto-Miamán, por los recursos humanos y materiales aportados para la realización de los estudios aquí expuestos. 6. REFERENCIAS [1] Colla, C. et al, “Sonic, electromagnetic and impulse radar investigation of stone masonry bridges”, NDT&E Int.,

1997, vol. 30, n.º4, pp. 249-254. [2] Clark, M.R. et al, “Application of infrared thermography to the non-destructive testing of concrete and masonry

bridges”, NDT&E Int., 2003, vol. 36, pp. 265-275. [3] McCann, D.M.; Forde, M.C., “Review of NDT methods in the assessment of concrete and masonry structures”,

NDT&E Int., 2001, vol. 34, pp. 71-84. [4] Liu, H. et al, “Accurate thickness estimation of a backfill grouting layer behind shield tunnel lining by CMP

measurement using GPR”, 14th International Conference on Ground Penetrating Radar, Shangai, China, 2012, pp. 137-142.

[5] Karlovšek, J. et al, “Investigation of voids and cavities in Bored Tunnels using GPR”, 14th International Conference on Ground Penetrating Radar, Shangai, China, 2012, pp. 496-501.

[6] Lei, X. et al, “GPR evaluation of the Damaoshan highway tunnel: A case study”, NDT&E Int., 2013, vol. 59, pp. 68-76.

[7] Saricicek, I.; Seren, A., “Imaging of deteriorations and concrete quality of the tunnels (Zigana, Torul) with ground penetrating radar”, 15th International Conference on Ground Penetrating Radar, Brussels, Belgium, 2014, pp. 397-400.

[8] Alani, A.M.; Banks, K., “Applications of Ground Penetrating Radar in the Medway Tunnel – Inspection of Structural Joints”, 15th International Conference on Ground Penetrating Radar, Brussels, Belgium, 2014, pp. 476-483.

[9] Parkinson, G.; Ekes, C., “Ground penetrating radar evaluation of concrete tunnel linings”, 12th International Conference on Ground Penetrating Radar, Birmingham, UK, 2008, 11 pp.

[10] Annan, A.P., “Ground Penetrating Radar: Principles, Procedures & Applications”, 2003, Mississauga: Sensors & Software, Inc.

[11] Daniels, D.J., “Ground Penetrating Radar”, 2ª ed., 2004, London: The Institution of Electrical Engineers. [12] Sandmeier, K.J., “ReflexW manual v.7.5”, 2014, Germany: Sandmeier Scientific Software. [13] Saarenketo, T. et al, “Recommendations for guidelines for the use of GPR in bridge deck surveys”, 2011, Finland:

Roadscanners Oy. [14] Núñez-Nieto, X. et al, “Three-dimensional ground-penetrating radar methodologies for the characterization and

volumetric reconstruction of underground tunneling”, Construction and Building Materials, 2014, vol. 71, pp. 551-560.