岩土科技助力井头山遗址考古发掘
唐晓武约 10 分钟4月18日是国际古迹遗址日。国际古迹遗址理事会公布的2021年“4·18”国际古迹遗址日的主题为——Complex Pasts: Diverse Futures（复杂的过去，多彩的未来）。不久前，中国文物报社、中国考古学会主办的2020年度全国十大考古新发现终评会4月13日在北京召开。经过综合评议，井头山遗址从全国1300多个考古项目中脱颖而出，圆满拿到“全国十大考古新发现”称号！
图1 截至目前浙江省入选“全国十大考古新发现”遗址分布
图2 孙国平领队在汇报
（图片来源：钱江晚报·小时新闻）
井头山遗址位于浙江省余姚市三七市镇，临近河姆渡、田螺山遗址，地处杭州湾南岸的四明山余脉与姚江河谷的交接地带，场地地貌类型属于海相沉积平原，地形平坦开阔。2013年在遗址所在原厂区地质勘探中被发现，总面积20000平方米，是河姆渡遗址发现近50年以来，在浙江沿海发现的又一处具有里程碑意义的新石器时代遗址。
图3 出土木器
（图片来源：浙江考古）
井头山遗址的发掘不仅是考古学的工作，同时也离不开岩土工程的帮助。自井头山遗址发掘之日起，浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心唐晓武教授课题组就积极为遗址的开发与保护提供技术支持，全程跟进了遗址从开挖到回填的考古工作。期间课题组围绕井头山遗址申报了发明专利，发表了相关论文。课题组成员俞悦博士论文中一部分是针对井头山遗址发掘过程中问题提出解决方案。
图4 课题组长期跟踪井头山遗址施工及发掘现场航拍图
图5 2017年6日课题组成员到处于勘探期的井头山取样
自2017年井头山遗址地质勘测阶段起，课题组就介入保护，提出预防性保护思路。经勘测知，井头山文化遗存的堆积形态在南北方向大致呈椭圆形。南北长约 83 米，东西宽约 50 米。总面积约为 7000 平方米，中部最大堆积厚度约 1 米，由西北向东南方倾斜。井头山遗址文化遗存埋深为-6.8～-11.0 米，原地貌为农田，上部回填 1～1.3 米厚的塘渣，主要由砾石、砂土及少量粘土组成。
图6 井头山遗址7层土层剖面图（东西向）
（图片来源：俞悦博士论文）
图7~8 2018年6月8日井头山刚开始施工
2018年，根据该遗址文化堆积的超大埋深（距现地表5～10米）和被海相沉积覆盖的低海拔埋藏环境（-3～-8米）的空前特殊性，发掘之前由工程部门建设一个围护发掘区的钢结构基坑。从2018年6月施工期开始到人工发掘阶段都是全露天状态，因此受到台风及梅雨季等强降水影响最大。
图9~10 2018年7月课题组来取样送回紫金港
图11 2018年7月21日唐晓武教授带领课题组参与井头山遗址围护结构的优化设计
井头山遗址施工期和发掘期保护的难点，分别是：1）考古基坑面积小且狭长，是我国沿海地区埋深最大的遗址，平均遗存埋深7m，维护结构设计深度接近20m，发掘场地地质条件极差，有平均厚达9.40m的海相淤泥层和2.50m的粘土层；2）与传统基坑相比，因基坑底部有文物，因此不能使用强夯法、电渗法等可能造成文物遗存环境变化的工法进行软土地基处理，也无法在坑底形成现浇的混凝土底板，造成基坑底部不封闭；3）考古发掘过程中，大量土方挖掘只能由人工分层进行，历时时间三年以上，在此期间都不会搭设顶棚，基坑需经受长时间暴露。遗址西侧有一条河流，与建筑工地的西侧浅层孔隙水位存在水力联系，加上余姚雨季长，强降水情况频繁，控制水位的任务十分艰巨；4）发掘场地北接省道319，东西分别是余姚当地纺织厂和钢材加工厂，高压电缆、雨污水管等管线分布密集，施工时为减少对周围环境的影响尤其是对周围管线的影响，此外遗址周围禁止采用打设止水帷幕，除此之外也严格控制打桩设备，尽量少地产生震动又要确保工期可以尽快完成，对维护结构的设计和施工提出了较高的要求。
图12 2018年8月井头山遗址工地在台风集中降雨期水位急剧上升
就此，俞悦提出了两种保护方案：①对遗址水位进行预测，采用Visual MODFLOW可视化软件分别模拟预测施工前、施工期间和发掘期间井头山遗址水位，因此可以使用余姚过往大气降水数据来预测雨季的等水位线，提前做好考古探方降水准备；②对遗址水位进行有效控制，引入课题组专门为沿海软土地基处理设计发明的排水管桩，详细介绍其施工方法和力学性能，使用Abaqus数值模拟排水管桩作为工程桩在遗址深基坑中的应用，计算得到的地表沉降和测点变形结果皆在接受范围内。最后总结排水管桩工法的优势点，即在施工期间可以作为遗址土体的排水通道，缩短固结时间达到有效控制水位的目的；在施工完成的发掘期可注浆作为围护桩起到止水作用或者作为工程桩已备后续设置顶棚。该研究成果有助于井头山遗址分步开挖工序的细化及井点降水方案的完善。
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图13~16 2018年9月16日施工期间，唐晓武教授与孙国平研究员探讨施工方案
图17 2018年9月~10月课题组在井头山遗址工地测量水位
图18 2018年10月井头山遗址打桩施工
图19 2018年10月井头山遗址土壤掺混糯米
2018年6月开工后，由于土质原因，施工方无法按照原设计方案将钢管桩打入基岩中，后将设计方案变更为采用了H型钢和U型槽钢作为围护桩。为了达到原先的防护效果，围护桩内采用了课题组提出的土掺混糯米粉的加固方法，此方法已经获得了国家发明专利：一种加固深埋土遗址的加固剂及其施工方法（CN202010455070）。本发明加固剂是以土和糯米粉为主要原料制备构成，糯米粉掺混的比例为土质量的X%。方法为先在遗址周围钻孔取样，测定各土层及地下水酸碱度情况，根据不同土层酸碱度来确定糯米粉掺混比例；1）采用挖机开挖沟槽至指定深度；2）采用机械手插钢板桩；3）在前后钢板桩之间旋挖引孔，灌入土-糯米粉混合物；4）机械振捣，振捣次数由遗址基坑深度决定；5）继续开挖土方至标高位置；6）割除钢板桩上部多余型钢。采用跳孔施工方法。所述步骤中的振捣次数根据遗址基坑深度调整；当遗址基坑深度在4m以内，则一次振捣，每次锤击10下；当遗址基坑深度在4m～6m范围，则分两次振捣，每次锤击10下；当遗址基坑深度在6m～9m范围，则分两次振捣，每次锤击15下；当遗址基坑深度在9m以上，则分三次振捣，每次锤击15下。
图20 专利的施工步骤图
（图片来源：国家知识产权局网址）
图21~22 2018年10月发掘期间海相淤泥土
2019年9月～2020年8月，浙江省文物考古研究所联合宁波市文物考古研究所和河姆渡遗址博物馆对该遗址进行发掘，揭露面积750平方米。
图23~24 2019年9月25日发掘期间，浙江省考古所王永磊老师对课题组进行指导
图25 2019年9月25日发掘期间，刚发现的大片贝冢
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图26~27 2019年12月6日发掘期间，课题组来井头山进行测量、取样
图28~29 2020年4月8日疫情期间考古工作人员在紧急发掘
图30~31 2020年5月15日课题组参与井头山遗址围护结构的土样采集
图32 2020年5月21日课题组遇上探索发现栏目组来井头山遗址摄影、采访
图33~34 2020年5月30日唐晓武教授应邀参加井头山遗址发布会暨专家认证会并到现场参观
图35~36 2020年5月30日雨季
图37~38 2020年11月11日开始回填保护
图39~40 2020年12月5日井头山遗址完成填埋保护
井头山遗址一期已成为过去。日前，二期正在如火如荼地发掘着。孙国平研究员表示，整个遗址有2万多平方米，一期才700多平方米。在二期项目中，他希望能找到8000多年前的村庄是怎么布局的，先民居住的房子是什么样的。最重要的是，找到古人类的墓葬地，再现8000年前这里的先民面朝大海的日常生活。
同样，本课题组还将继续关注井头山遗址。一方面，在遗址一期回填后，研究其地下水环境的变化，具体评估回填措施对土遗址本身的影响。另一方面，利用自身岩土工程领域卓越的理论水平和丰富的经验，研发更多遗址发掘与保护过程中的新技术，持续不断地为田螺山遗址的考古工作做出贡献！
图41 课题组俞悦博士与孙国平研究员在井头山遗址填埋前的合影
图42 俞悦博士毕业论文答辩海报
图43 答辩结束，所有答辩委员的合影
参考文献
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文/俞悦 费敏亮
编辑/范震昊