考古發(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)探討

趙婷 朱華 周瑩 鄧宏 全定可

(1.西安元智系統(tǒng)技術(shù)有限責(zé)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(fā)掘是考古工作人員根據(jù)發(fā)掘計劃,對埋藏文物的地方、對古文化遺址、古墓葬進(jìn)行調(diào)查、勘探和發(fā)現(xiàn)、挖掘文物的活動或工作[1]。近年來,隨著考古發(fā)掘工作的進(jìn)行,發(fā)掘現(xiàn)場的安全穩(wěn)定性問題逐步暴露,意料之外的事也偶有發(fā)生。其中,發(fā)掘現(xiàn)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(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)結(jié)構(gòu)簡易居多,暫無發(fā)掘現(xiàn)場相關(guān)支護(hù)標(biāo)準(zhǔn),小規(guī)模發(fā)掘坑支護(hù)結(jié)構(gòu)常依照經(jīng)驗進(jìn)行,盡管較大規(guī)模發(fā)掘坑結(jié)構(gòu)支護(hù)建設(shè)參考依據(jù)建筑邊坡及基坑相關(guān)設(shè)計與施工標(biāo)準(zhǔn),但對于考古發(fā)掘現(xiàn)場的支護(hù)結(jié)構(gòu)來說,此類標(biāo)準(zhǔn)的適用性仍需進(jìn)一步考究?？脊虐l(fā)掘現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)體系監(jiān)測相對不夠完善,應(yīng)全面考慮發(fā)掘現(xiàn)場的文物本體、支護(hù)結(jié)構(gòu)與發(fā)掘坑變形與環(huán)境等綜合因素。

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

通過考古發(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè),提出具體考古發(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)思路方法,對保障發(fā)掘現(xiàn)場的文物遺跡、發(fā)掘人員安全具有實際意義。

1 考古發(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

1.1 系統(tǒng)建設(shè)基本原則

考古發(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)以考古發(fā)掘現(xiàn)場文物保護(hù)原則、考慮發(fā)掘人員的安全保護(hù)、參考建筑基坑及巖土支護(hù)加固監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合文物保護(hù)理念適用性,支護(hù)結(jié)構(gòu)與發(fā)掘坑及結(jié)構(gòu)實時監(jiān)測同時進(jìn)行。主要是創(chuàng)建“風(fēng)險監(jiān)測—綜合預(yù)報—提前預(yù)警—及時處理”的監(jiān)測模式,實現(xiàn)變化可監(jiān)測、風(fēng)險可預(yù)報、險情可預(yù)控、保護(hù)可提前的保護(hù)管理目標(biāo)。滿足總體規(guī)劃,分段實施、監(jiān)測不對文發(fā)掘現(xiàn)場物本體造成破壞,保證監(jiān)測設(shè)備和文物本體的安全性,監(jiān)測系統(tǒng)具備可擴(kuò)展性、可持續(xù)性、前瞻性、安全性,使用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)手段,開展多學(xué)科、多部門合作的方式[2]。

1.2 系統(tǒng)建設(shè)框架

考古發(fā)掘現(xiàn)場的支護(hù)安全監(jiān)測結(jié)合本體、環(huán)境等建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫軟件管理系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場特殊情況,選取合適傳感器終端部署于考古發(fā)掘現(xiàn)場監(jiān)測區(qū)域,通過數(shù)據(jù)采集儀數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、適配放大,采用云服務(wù)器等設(shè)備完成數(shù)據(jù)存儲、備份,將離散數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲、管理和展示,對采集到的信息進(jìn)行分析、預(yù)警、管理,完成考古發(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)管理預(yù)警平臺建設(shè),為考古發(fā)掘工作做好技術(shù)保障。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of support monitoring system

1.3 系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

考古發(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)是以建成一個集傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程維護(hù)的綜合管理系統(tǒng)為目標(biāo),建設(shè)內(nèi)容如下:

(1)基于考古發(fā)掘坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,通過在發(fā)掘坑重點及敏感區(qū)域布設(shè)深部位移、發(fā)掘坑表面水平位移、地表開裂狀態(tài)(位置、裂寬),周邊土體沉降、裂隙等監(jiān)測項目的傳感器及終端,實現(xiàn)發(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)實時監(jiān)測[3]。

(2)考慮考古發(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)加固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,建立支護(hù)橫梁、腰梁、圈梁位移、應(yīng)力及重要支護(hù)管線應(yīng)力監(jiān)測終端部署,實現(xiàn)現(xiàn)場支護(hù)加固結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測[4-6]。

(3)建設(shè)考古發(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)系統(tǒng)綜合管理平臺,軟件系統(tǒng)功能包含各監(jiān)測項目實時數(shù)據(jù)的時域計算、曲線擬合分析、告警事件、數(shù)據(jù)融合處理分析等功能。

(4)結(jié)合發(fā)掘現(xiàn)場環(huán)境、本體監(jiān)測系統(tǒng)與支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng),建立關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫,結(jié)合實時數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)掘現(xiàn)場數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析,從而掌握考古發(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)結(jié)構(gòu)安全特性。

(5)建設(shè)考古發(fā)掘現(xiàn)場數(shù)據(jù)中心,實現(xiàn)對考古發(fā)掘現(xiàn)場的環(huán)、本體及支護(hù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳送、儲存?zhèn)浞?通過互聯(lián)及以太網(wǎng)使部分用戶對測控中心的遠(yuǎn)程互聯(lián),從而實現(xiàn)該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理功能。

1.4 系統(tǒng)平臺的主要功能

考古發(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)平臺主要包含基礎(chǔ)信息查詢功能、數(shù)據(jù)分析模塊、告警信息專題模塊及其他擴(kuò)展功能?；A(chǔ)信息查詢功能能夠?qū)⒖脊虐l(fā)掘現(xiàn)場各監(jiān)測項目的實時數(shù)據(jù)及位置等信息及時查看,并可對查詢的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。數(shù)據(jù)分析模塊是對整個支護(hù)監(jiān)測項目的多源數(shù)據(jù)大小的測定和研究,是異常數(shù)據(jù)解析、支護(hù)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(xiàn)支護(hù)系統(tǒng)的安全預(yù)警機(jī)制。日常測量巡檢及管理等擴(kuò)展功能,可實現(xiàn)離線數(shù)據(jù)管理與在線平臺的關(guān)聯(lián)分析、傳感器、采集終端及整個系統(tǒng)平臺的管理與維護(hù)。

2 應(yīng)用實例

在實際考古發(fā)掘現(xiàn)場建立支護(hù)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用,該發(fā)掘坑位于陜西省境內(nèi),屬濕陷性黃土,發(fā)掘坑長為40m、高為8m、上口寬為6m、下口寬為3.5m,對該發(fā)掘坑設(shè)計并實施型鋼框架支護(hù)?？蚣苤ёo(hù)體系完工后,進(jìn)行監(jiān)測工作,通過對地表及護(hù)壁的變化情況的監(jiān)測,隨時對現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)整,確保發(fā)掘坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

監(jiān)測示意如圖2所示,主要對此發(fā)掘坑護(hù)臂進(jìn)行位移和應(yīng)力監(jiān)測,地表進(jìn)行裂縫觀測,已變形嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行密切位移監(jiān)測,已有發(fā)育的較嚴(yán)重的裂隙進(jìn)行裂隙監(jiān)測,影響因素如土體表面的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測,并通過變化趨勢與變形量進(jìn)行實時告警[7]。通過實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建立,形成監(jiān)測信息可視化平臺如圖3所示,依托于物聯(lián)網(wǎng)&云平臺等手段,保障現(xiàn)場文物及人員安全,支護(hù)鋼結(jié)構(gòu)健康穩(wěn)定。同時,對該發(fā)掘坑進(jìn)行了傳統(tǒng)變形觀測測量配合實時監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行校驗,經(jīng)過與長期監(jiān)測數(shù)據(jù)比對,無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時考古發(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)變形監(jiān)測,丟包率小于1‰,系統(tǒng)硬件精度及靈敏度滿足變形監(jiān)測范圍要求,系統(tǒng)平臺運(yùn)行平穩(wěn),發(fā)掘坑結(jié)構(gòu)及支護(hù)體系穩(wěn)定。

圖3 發(fā)掘現(xiàn)場可視化效果圖Fig.3 Visualized renderings of the excavation site

3 結(jié)論

根據(jù)考古發(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建及其主要技術(shù)描述,總結(jié)如下:

(1)考古發(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè),應(yīng)因地制宜,結(jié)合發(fā)掘方式及現(xiàn)場實際情況,針對不同考古發(fā)掘現(xiàn)場的實際特征,開展“對癥下藥”的監(jiān)測工作。

(2)利用物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)融合分析等信息技術(shù)掌握實際發(fā)掘工作中發(fā)掘坑結(jié)構(gòu)、支護(hù)體系及文物影響因素實時變化對遺跡遺物、考古人員產(chǎn)生的潛在風(fēng)險,是科技信息在考古發(fā)掘過程中的實際應(yīng)用。

(3)建立發(fā)掘過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測平臺,提供定期定量的監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析,對超預(yù)警信息進(jìn)行實時告警,從而及時的采取保護(hù)措施,保證發(fā)掘文物、成果及人員的安全,后期也應(yīng)該進(jìn)一步在實際支護(hù)監(jiān)測工作基礎(chǔ)上探索考古發(fā)掘中支護(hù)監(jiān)測的適用性或規(guī)范性方法。

(4)為保證整個發(fā)掘過程中文物的平穩(wěn)安全,實時有效的監(jiān)測、提升風(fēng)險預(yù)控能力,防止破壞發(fā)生。以支護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)為突破口,結(jié)合考古發(fā)掘現(xiàn)場本體及環(huán)境狀況,探索和踐行一套集風(fēng)險識別-風(fēng)險評估-決策控制考古發(fā)掘現(xiàn)場支護(hù)監(jiān)測方法及機(jī)制。