考古發掘現場支護監測系統探討

趙婷 朱華 周瑩 鄧宏 全定可

(1.西安元智系統技術有限責任公司,陜西西安 710077;2.陜西省考古研究院,陜西西安 710043)

0 引言

考古發掘是考古工作人員根據發掘計劃,對埋藏文物的地方、對古文化遺址、古墓葬進行調查、勘探和發現、挖掘文物的活動或工作[1]。近年來,隨著考古發掘工作的進行,發掘現場的安全穩定性問題逐步暴露,意料之外的事也偶有發生。其中,發掘現場的坍塌對文物、考古成果和考古人員的安全造成了極大的威脅。

考古發掘現場支護結構簡易居多,暫無發掘現場相關支護標準,小規模發掘坑支護結構常依照經驗進行,盡管較大規模發掘坑結構支護建設參考依據建筑邊坡及基坑相關設計與施工標準,但對于考古發掘現場的支護結構來說,此類標準的適用性仍需進一步考究。考古發掘現場的結構體系監測相對不夠完善,應全面考慮發掘現場的文物本體、支護結構與發掘坑變形與環境等綜合因素。

考古發掘現場的發掘方式決定了支護和監測方法,一般為了保障發掘現場文物及人員安全,會采取大開挖式的發掘,帝王陵墓如需搶救性發掘,考慮土方量較大或者具備券頂結構,為了保護墓道形制,會采取經墓道發掘。大開挖式發掘支護方法以鋼管、型鋼及木板結合支護為主,經墓道發掘會以支護和加固同時進行。在經墓道發掘時,支護和加固考慮到了變形觀測,但實時監測相對較少,變形監測與環境因素等綜合監測分析的甚少,探方發掘或大開挖發掘主要是集中在本體及環境監測。

通過考古發掘現場支護監測系統建設,提出具體考古發掘現場支護監測系統建設思路方法,對保障發掘現場的文物遺跡、發掘人員安全具有實際意義。

1 考古發掘現場支護監測系統建設

1.1 系統建設基本原則

考古發掘現場支護監測系統建設以考古發掘現場文物保護原則、考慮發掘人員的安全保護、參考建筑基坑及巖土支護加固監測標準并結合文物保護理念適用性,支護結構與發掘坑及結構實時監測同時進行。主要是創建“風險監測—綜合預報—提前預警—及時處理”的監測模式,實現變化可監測、風險可預報、險情可預控、保護可提前的保護管理目標。滿足總體規劃,分段實施、監測不對文發掘現場物本體造成破壞,保證監測設備和文物本體的安全性,監測系統具備可擴展性、可持續性、前瞻性、安全性,使用先進科學技術手段,開展多學科、多部門合作的方式[2]。

1.2 系統建設框架

考古發掘現場的支護安全監測結合本體、環境等建立統一的數據庫軟件管理系統。根據現場特殊情況,選取合適傳感器終端部署于考古發掘現場監測區域,通過數據采集儀數據采集、轉換、適配放大,采用云服務器等設備完成數據存儲、備份,將離散數據進行統一存儲、管理和展示,對采集到的信息進行分析、預警、管理,完成考古發掘現場支護監測系統管理預警平臺建設,為考古發掘工作做好技術保障。系統框架結構如圖1。

圖1 支護監測系統結構圖Fig.1 Structure diagram of support monitoring system

1.3 系統建設內容

考古發掘現場支護監測系統是以建成一個集傳感器、數據采集儀、網絡通信、數據融合、數據分析和遠程維護的綜合管理系統為目標,建設內容如下:

(1)基于考古發掘坑結構穩定性,通過在發掘坑重點及敏感區域布設深部位移、發掘坑表面水平位移、地表開裂狀態(位置、裂寬),周邊土體沉降、裂隙等監測項目的傳感器及終端,實現發掘現場支護實時監測[3]。

(2)考慮考古發掘現場支護加固結構的穩定性,建立支護橫梁、腰梁、圈梁位移、應力及重要支護管線應力監測終端部署,實現現場支護加固結構的實時監測[4-6]。

(3)建設考古發掘現場支護系統綜合管理平臺,軟件系統功能包含各監測項目實時數據的時域計算、曲線擬合分析、告警事件、數據融合處理分析等功能。

(4)結合發掘現場環境、本體監測系統與支護監測系統,建立關聯數據庫,結合實時數據進行發掘現場數據關聯分析,從而掌握考古發掘現場支護結構安全特性。

(5)建設考古發掘現場數據中心,實現對考古發掘現場的環、本體及支護監測數據實時傳送、儲存備份,通過互聯及以太網使部分用戶對測控中心的遠程互聯,從而實現該系統的遠程管理功能。

1.4 系統平臺的主要功能

考古發掘現場支護監測系統平臺主要包含基礎信息查詢功能、數據分析模塊、告警信息專題模塊及其他擴展功能。基礎信息查詢功能能夠將考古發掘現場各監測項目的實時數據及位置等信息及時查看,并可對查詢的數據進行進一步的分析。數據分析模塊是對整個支護監測項目的多源數據大小的測定和研究,是異常數據解析、支護安全健康分析的重要工作,通過圖層圖例與告警信息專題模塊交互,實現支護系統的安全預警機制。日常測量巡檢及管理等擴展功能,可實現離線數據管理與在線平臺的關聯分析、傳感器、采集終端及整個系統平臺的管理與維護。

2 應用實例

在實際考古發掘現場建立支護監測預警系統應用,該發掘坑位于陜西省境內,屬濕陷性黃土,發掘坑長為40m、高為8m、上口寬為6m、下口寬為3.5m,對該發掘坑設計并實施型鋼框架支護。框架支護體系完工后,進行監測工作,通過對地表及護壁的變化情況的監測,隨時對現場進行調整,確保發掘坑結構穩定。

監測示意如圖2所示,主要對此發掘坑護臂進行位移和應力監測,地表進行裂縫觀測,已變形嚴重區域進行密切位移監測,已有發育的較嚴重的裂隙進行裂隙監測,影響因素如土體表面的溫濕度進行監測,并通過變化趨勢與變形量進行實時告警[7]。通過實時監測預警系統建立,形成監測信息可視化平臺如圖3所示,依托于物聯網&云平臺等手段,保障現場文物及人員安全,支護鋼結構健康穩定。同時,對該發掘坑進行了傳統變形觀測測量配合實時監測的結果進行校驗,經過與長期監測數據比對,無線傳感網絡進行實時考古發掘現場支護變形監測,丟包率小于1‰,系統硬件精度及靈敏度滿足變形監測范圍要求,系統平臺運行平穩,發掘坑結構及支護體系穩定。

圖3 發掘現場可視化效果圖Fig.3 Visualized renderings of the excavation site

3 結論

根據考古發掘現場支護監測系統構建及其主要技術描述,總結如下:

(1)考古發掘現場支護監測系統建設,應因地制宜,結合發掘方式及現場實際情況,針對不同考古發掘現場的實際特征,開展“對癥下藥”的監測工作。

(2)利用物聯網、數據融合分析等信息技術掌握實際發掘工作中發掘坑結構、支護體系及文物影響因素實時變化對遺跡遺物、考古人員產生的潛在風險,是科技信息在考古發掘過程中的實際應用。

(3)建立發掘過程中支護結構安全監測平臺,提供定期定量的監測數據及分析,對超預警信息進行實時告警,從而及時的采取保護措施,保證發掘文物、成果及人員的安全,后期也應該進一步在實際支護監測工作基礎上探索考古發掘中支護監測的適用性或規范性方法。

(4)為保證整個發掘過程中文物的平穩安全,實時有效的監測、提升風險預控能力,防止破壞發生。以支護監測系統為突破口,結合考古發掘現場本體及環境狀況,探索和踐行一套集風險識別-風險評估-決策控制考古發掘現場支護監測方法及機制。