החפירות (כ-1 דונם; איורים 2, 3) נערכו בגדה המזרחית של גיא הטירופיאון, צמוד לפן החיצוני של חומת העיר העתיקה, במרחק של כ-25 מ' ממזרח לשער שכם וכ-70 מ' ממערב לכניסה למערת צדקיהו. נחשפו קירות ביצור הקדומים לימי הביניים; קטעים של חומת ביצור ותעלה בנויה מהתקופות הצלבנית–האיובית; יסוד חומת העיר מהתקופה העות'מאנית הקדומה; ומערכת מים מורכבת ושרידי מבנה משלהי התקופה העות'מאנית–ימי המנדט הבריטי. השרידים מהחפירה נחשפו בעזרת מחפרון בעומק מרבי של 6 מ' מתחת למילויי אדמה ופסולת, שהשתפלו בחדות מהשול של רחוב סולטאן סולימאן בצפון ועד לחומת העיר העתיקה מהתקופה העות'מאנית בדרום.

במחצית השנייה של המאה הי"ט לסה"נ נחשפה על ידי החוקרים הבריטים של ארץ ישראל מערכת מים קדומה, שראשיתה ממזרח לשער שכם, בשטח החפירה, וסופה בהר הבית (איור 4). המערכת כוללת שלושה חלקים: התעלה הצפונית, בריכת הסטרותיון והתעלה הדרומית, הידועה גם בשם אמת המים החשמונאית. התעלה הצפונית תועדה לראשונה בשנת 1871 בידי קונרד שיק (Wilson 1872:47–51; Warren and Conder 1884:263–264), אך עד היום לא נחקרה. היא עוברת בקטע משוער באזור מערת צדקיהו, ואז ממשיכה צמוד לחומה מצפון, בקטע שנחשף שוב בחפירה הנוכחית (להלן, תעלה 108L), והלאה מתחת לחומה מהתקופה העות'מאנית ולחלקו הצפוני של הרובע המוסלמי עד הגעתה לבריכת הסטרותיון. היא תוארה בעבר:
"... רוחבה של אמת המים הוא שתיים וחצי–שלוש רגל (76–91 ס"מ), וגובהה, המאפשר לאדם להתהלך בה בקלות, עולה על 12 רגל (3.60 מ'); חלקה חצוב בסלע וחלקה בנוי ומקורה בקמרון, שבו הובחנו כמה פתחים, המכוסים כעת בפסולת; ... בבניית חומת העיר הנוכחית על גבי יסודות קדומים, נהרס החלק העליון של אמת המים" (Wilson 1872:47–48).
אורכה הכולל של התעלה הצפונית אינו נזכר, אך לפי הערכה הוא כ-400 מ'. התעלה הדרומית מוליכה מבריכת הסטרותיון אל הר הבית דרך פינתה הצפונית-מערבית של חומת הורדוס. היא התגלתה לראשונה בשנת 1864 על ידי צ'רלס וילסון, נחקרה גם בידי צ'רלס וורן (Wilson 1872:47–51) ותועדה מחדש בשנות ה-80 של המאה הכ' בידי דן בהט (תשנ"ג).
מערכת זו נדונה רבות במחקר מאז גילויה והדעות חלוקות לגבי תיארוכה, מוצאה והקשר הסטרטיגרפי בין התעלות לבריכה (לדיון בנושא ולתולדות המחקר, ר' וקסלר-בדולח תשע"א). בהט תיארך את התעלה הדרומית לימי החשמונאים על סמך בניית חומת הורדוס מעליה ודמיון אדריכלי של התעלה למפעל המים בגבעון (בהט תשנ"ג). בעקבותיו מקובל כיום לכנות את התעלה הדרומית 'אמת המים החשמונאית'. חוקרים אחרים כגון וילסון וברקאי (ברקאי 2007; Wilson 1872) הציעו שהתעלות הן מערכת אספקה אחת המתוארכת לימי הבית הראשון ואף הציעו לזהותה עם תעלת הבריכה העליונה הנזכרת במקרא בהקשר למסעות מלחמה ולמצור שהוטל על ירושלים. וילסון התבסס בתיארוך על חלקה הצפוני של התעלה שנפגע לדעתו בעת חציבת מערת צדקיהו בימי הורדוס. ברקאי טען שבתעלה הדרומית לא ניתן לראות סימני סיתות האופייניים לתקופה החשמונאית ולכן אין לתארכה לתקופה זו. וקסלר-בדולח לעומתם מציעה ששתי התעלות שייכות לתעלה ארוכה אחת ('תעלת שער שכם'), ששימשה בתקופות שונות שהקדומה בהן קדומה לימי הורדוס. לדעתה גם אם תעלה זו נחצבה לראשונה בימי הבית הראשון, ייתכן שהיא שולבה באמת המים החשמונאית (וקסלר-בדולח תשע"א:42).
לאורך צדי חומת העיר העתיקה מהתקופה העות'מאנית ומתחתיה נערכו בעבר עשרות חפירות, ונחשפו בהן מערכות ביצור קדומות, הכוללות חומות, מגדלים וחפיר, שתוארכו לימי הבית השני (החומה השנייה; שלהי ימי החשמונאים או ראשית ימי הורדוס), לתקופות הרומית–הביזנטית
(המאות הד'–הה' לסה"נ), לשלהי התקופה האסלאמית הקדומה (המאות הי'–הי"א לסה"נ) ולתקופות הצלבנית–האיובית (המאות הי"ב–הי"ג לסה"נ; לתולדות המחקר, ר' גבע תשע"ה; Wightman 1993; Weksler-Bdolah 2011). בתחומי שער שכם נערכו בעבר חפירות רבות למן שנות ה-30 של המאה הי"ט לסה"נ ועד היום, ונחשפו בהן שרידי בנייה וביצורים למן ימי הבית השני ועד לתקופה העות'מאנית. עיקר השרידים כוללים שער המתוארך לדעת רוב החוקרים לימי איליה קפיטולינה (Hamilton 1944; Magen 2000); כנסייה, שער וחומה המקבילה לחומה מהתקופה העות'מאנית, המתוארכים לתקופה הצלבנית (המאה הי"ב לסה"נ; Hennessy 1970; Wightman 1989) או לתקופה האיובית (המאה הי"ג לסה"נ; Geva and Bahat 1998); מערכת של שלושה אולמות קמורים מהתקופות האיובית–הממלוכית (Magen 2000); ושני מבנים מהתקופה העות'מאנית (זלינגר ומשיח תשע"ט:15–16).
 
תקופה הקדומה לימי הביניים
בדרום-מזרח השטח נחשפו שני קירות ביצור (A100W, A101W; איורים 5, 6). הם נבנו מאבנים גדולות ומסותתות, חלקן סותתו בסיתות שוליים, שלוכדו בגיר לבן כתוש, גריסי פחם ומעט חרסים כתושים. הקירות בולטים מקו החומה מהתקופה העות'מאנית שנבנתה מעליהם (B100W, B101W; להלן), ובנייתם שונה מבניית חומה זו. שני הקירות תוארכו לתקופה הקדומה לימי הביניים על סמך תעלת מים מהתקופות הצלבנית–איובית (108L, להלן) שנבנתה צמוד אליהם.
 
התקופות הצלבנית–האיובית (המאות הי"ב–הי"ג לסה"נ)
בדרום-מזרח השטח נחשפו שני קטעי קירות של חומת ביצור (105W — 6.8 מ' אורך חשיפה, 3 מ' רוחב; 111W — 1.5 מ' רוחב חשיפה; איורים 5, 6). קיר 111 השתמר רק בחלקו, והוא ניצב לקיר 105 ומשולב בו. קיר 105 רחב ומסיבי, והוא נמשך לדרום-מערב אל מחוץ לשטח החפירה. שני הקירות נבנו בשיטה דומה מערמות של אבנים מהוקצעות במגוון גדלים, שלוכדו בחומר מליטה קשה בצבע בז', המכיל אדמה, גיר ופחם. הפנים המערביים של הקירות לא השתמרו, אולי נשדדו, ואילו הפנים המזרחיים שלהם (106W) תוחמים תעלת מים שגם מהלכה דמוי ר (108L). החומה מתוארכת לתקופות הצלבניתאיובית (אמצע המאה הי"ב–אמצע המאה הי"ג לסה"נ) על סמך שבר קערה מזוגגת שיוצרה בביירות שהתגלה במהלך פירוק חלקי של קיר 105 (איור 7). כן התגלה בפירוק קיר זה ממצא קרמי המתוארך לתקופות הרומית הקדומה והביזנטית המאוחרת (לא צויר), מטבע ביזנטו-ערבי (640–670 לסה"נ; ר"ע 165698), שבר שיש לבן וצדף.
תעלה 108 (8.85 מ' אורך, 0.8–1.1 מ' רוחב, כ-1 מ' עומק) משתפלת מצפון-מזרח לדרום-מערב ואז פונה בזווית ישרה מצפון-מערב לדרום-מזרח אל תוך העיר העתיקה. הדופן המערבית של התעלה (106W) נבנתה מאבנים בינוניות-קטנות מסותתות, חלקן בסיתות אלכסוני האופייני לתקופה הצלבנית, והשתמרה לגובה מרבי של ארבעה נדבכים. הדופן המזרחית של התעלה (107W) נבנתה צמוד לקיר הביצור הקדום (A101W) מאבני גזית בינוניות, שאך חלקן סותת בסיתות אלכסוני. בנדבך התחתון של דופן 107 שולב פריט אדריכלי בשימוש משני — אבן מסותתת הקטומה באחד מצדיה (8 ס"מ רוחב), האופיינית לתקופה הצלבנית. דופן התעלה בהמשכה לדרום מנצלת את קיר ביצור A100 (4.65 מ' אורך), שדופן בשלב זה באבנים קטנות, מהוקצעות ושטוחות שלוכדו בחומר מליטה לבן המכיל בעיקר גיר ופחם ומעט חרסים כתושים. רצפת התעלה נבנתה מאבנים מהוקצעות בינוניות-קטנות שלוכדו בחומר מליטה אפור המכיל גיר ופחם, וטויחה בטיח אפור בהיר. מתחת לרצפת התעלה נחשפה אדמה חומה שהכילה ממצא קרמי המתוארך לתקופת הברזל 2, לימי החשמונאים ולתקופה הרומית הקדומה (המאה הב' לפסה"נ–המאה הא' לסה"נ; לא צויר). התעלה מתוארכת לתקופות הצלבנית–האיובית, על סמך הסיתות האלכסוני של אבני דופן 107 ועל סמך תיארוך חומת ביצור 105 שאליה היא נסמכת.
 
התקופה העות'מאנית הקדומה (המאה הט"ו לסה"נ)
החומה מהתקופה העות'מאנית (B100W, B101W, 103W) הושתתה על שרידי בנייה קדומים. קירות B100 ו-B101 נבנו מעל הקירות הקדומים A100, A101, ואילו קיר 103 נבנה מעל תעלה 108 מהתקופות הצלבנית–האיובית. בקיר 103 הותקן פתח צר (A108L; 0.2 מ' רוחב, 0.4 מ' גובה; איורים 3: חתך 33; 8), שדרכו עברה התעלה אל תוך העיר העתיקה. חלקו התחתון של קיר 103 נחשף בחפירה הנוכחית. זהו יסוד החומה והוא נבנה מארבעה נדבכים של אבני בנייה גדולות, שסותתו בסיתות שוליים; נדבכים אלה שונים מנדבכי האבן שמעליהם.
 
שלהי התקופה העות'מאנית וימי המנדט הבריטי (המאות הי"ט–הכ' לסה"נ)
בצפון-מערב השטח נחשפה מערכת מים מורכבת, הכוללת מאגר מים גדול (117L; איור 9), בור שיקוע המתנקז אליו (127L), בור מים (121L), מתקן (124L), תעלת מים (116L) ושרידי מבנה (120L, 132L). המערכת נבנתה בו זמנית על סמך שיטת הבנייה, חומרי המליטה והטיח. בחומר המליטה או בטיח של כל אחד ממרכיבי מערכת המים התגלה זפת.
מאגר מים 117 (4.1 × 8.1 מ', 4 מ' עומק חשיפה; איורים 3: חתך 4–4; 10) קורה בקמרון חבית שהשתמר רק בחלקו; המאגר נחפר רק בחלקו העליון. דופנות המאגר והקמרון נבנו מאבנים מהוקצעות בינוניות וקטנות שלוכדו בחומר מליטה המכיל פחם, גיר וזפת. הדופנות טויחו בטיח ורוד, המכיל גיר וגריסי חרסים. בחלק העליון של הדופן הדרומית הותקנה תעלה (146L; 0.32 מ' גובה, 0.26 מ' רוחב), המוליכה לדרום אל מחוץ לגבולות המאגר. המאגר ניתחם ממערב בקיר (118W; 8.7 מ' אורך, כ-0.8 מ' רוחב); קיר 118 מתחבר בחלקו הצפוני אל המאגר (134W). הקיר נבנה מפן חיצוני מערבי של אבני בנייה מהוקצעות גדולות ובינוניות ופן פנימי של ערמות אבנים; האבנים לוכדו בחומר מליטה הדומה לזה שהתגלה במאגר. קיר 118 השתמר לגובה ארבעה נדבכים. הוא מתוארך למן המחצית הראשונה של המאה הי"ט לסה"נ על סמך הממצא הקרמי, הפורצולן (להלן) והזכוכית (לא צויר), שהתגלו במהלך פירוקו.
בור שיקוע 127 (1.15 × 1.45 מ', 1.25 מ' עומק; איורים 11, 12) משתפל בקרקעיתו לדרום אל המאגר. הבור נבנה בדומה למאגר ודופנותיו טויחו בטיח לבן. אל הדופן הצפונית של הבור מוליכה תעלת מים שחתכה רבוע (138L; 0.22 מ' רוחב, 0.34 מ' עומק). בדופן הדרומית של הבור הותקנה תעלת מים שחתכה עגול (140L; 0.15 מ' קוטר), המוליכה מים אל המאגר (איור 12).
לבור מים 121 (2.30 × 2.65 מ', 2 מ' עומק חשיפה; איור 13) דופנות עבות (עד 1 מ' רוחב), שנבנו משתי שורות של אבני בנייה בינוניות מהוקצעות ובתווך ליבה של אבנים קטנות, שלוכדו בחומר מליטה לבן המכיל גיר ופחם, וטויחו בטיח ורוד, חלקו מרוח בזפת, שהונח על מצע של שברי אבנים.
מתקן 124 (1.1 × 3.2 מ', 0.34–0.38 מ' עומק השתמרות; איור 14) נבנה מאבנים מהוקצעות בינוניות-קטנות, שלוכדו בחומר מליטה זהה לזה שבבור המים. הדופן המערבית של המתקן לא השתמרה. המתקן טויח בטיח ורוד, שהונח על מצע של רעפי מרסיי, המתוארכים למחצית הראשונה של המאה הי"ט לסה"נ. רצפת המתקן משתפלת למערב, ונחשפה עליה שכבת זפת. בתשתית הרצפה התגלה ממצא הכולל זכוכית, חרסים וכלי פורצלן מיובאים מאירופה (לא צוירו), המתוארכים לכל המוקדם למחצית הראשונה של המאה הי"ט לסה"נ.
תעלת מים 116 (14 מ' אורך חשיפה, 0.36 מ' רוחב, 0.30–0.34 מ' עומק; איור 15) משתפלת מצפון לדרום וצמודה אל קיר 118 ואל בור 121. דופנותיה נבנו מפן פנימי של אבנים מהוקצעות בינוניות ופן חיצוני של אבנים קטנות, שלוכדו בחומר מליטה וטויחו בטיח לבן. התעלה כוסתה בלוחות אבן גדולים, שחלקם השתמרו באתרם.
שרידי המבנה התגלו ממזרח וממערב למאגר המים. בצד מזרח התגלתה פינת מבנה, הכוללת שני קירות (114W 3.9 מ' אורך, 0.3 מ' רוחב; 115W 2.5 מ' אורך, 0.33 מ' רוחב; איור 16), שנבנו מאבנים מסותתות גדולות והשתמרו לגובה נדבך אחד, ואליהם ניגשת רצפה של אריחי אבן מרובעים (120L). הקצה המערבי של הרצפה מונח על גבי קיר (125W) התוחם את מאגר המים ממזרח. בנייתו של קיר 125 דומה לזו של קיר 118. בצד מערב נחשפה רצפה של אריחי אבן (132L) הדומה לרצפה 120. שרידי המבנה והריצוף תוארכו לכל המוקדם למחצית השנייה של המאה הי"ט לסה"נ, על סמך ממצא שהתגלה בתשתית רצפה 120, הכולל כלי חרס, רעף מרסיי, כלי פורצלן מיובאים מאירופה, כלי זכוכית ומתכת (לא צוירו).
 
הממצא. בהצטברויות אדמה שכיסו את השרידים התגלו ממצאים רבים, רובם מחלקו הדרומי-מזרחי של שטח החפירה (104L, 119L, 147L; שני האחרונים אינם מופיעים בתכנית). הממצאים מתוארכים לשלהי התקופה העות'מאנית וימי המנדט הבריטי (המחצית השנייה של המאה הי"ט–המחצית הראשונה של המאה הכ' לסה"נ), ובהם מגוון שברי כלי חרס, זכוכית, מתכת ועוד.
ממצא כלי החרס כולל כלי עזה מקומיים, ובהם קדרה (איור 1:17), כלי לאחסון גבינה, המכונה בטורקית בורנייה (איור 2:17), קנקן איבריק מעוטר בצבע כתום (איור 3:17) וקנקן לנשיאת מים המכונה Giarra (איור 4:17); כלים מיובאים מזוגגים, כגון סיר בישול מזוגג מהעיר ולריוס בצרפת (איור 5:17) וקערות מזוגגות בירוק מטורקיה (איור 6:17, 7); כלים מיובאים מטיפוס Stone Ware, ובהם בקבוק מים מגרמניה (איור 8:17), ספל קפה מטיפוס Fritt Ware מיובא מקוטכיה שבטורקיה (איור 9:17); ספל קפה מפורצולן מיובא מגרמניה (איור 10:17); כלים מיובאים מטיפוס Hard Paste, ובהם קערת 'קפה-אולה' מצרפת (איור 11:17); צלחת מטורקיה הנושאת כיתוב בטורקית (איור 12:17); צלחות מאנגליה מעוטרות בדגם 'ערבה' בצבעים שחור וכחול (איור 13:17, 14); וכן כלים מטיפוס Hard Paste שבתחתיתם חותמות של בתי היוצר או היצואן באנגליה (איור 15:17), בלגיה (איור 16:17), גרמניה (איור 17:17) וצרפת (איור 18:17, 19). עוד בממצא נרות חרס (איור 20:17), מקטרות מקומיות (למשל, איור 21:17), מקטרות מיובאות מטורקיה (איור 22:17, 23), נרגילות מקומיות שחורות (למשל, איור 24:17), נרגילות אדומות מיובאות מטופנה שבטורקיה (למשל, איור 25:17) ורעף מרסיי (איור 26:17).
בממצא הזכוכית קעריות (איור 1:18), כוסות (איור 2:18), פקקים (איור 3:18) וצמידים (איור 4:18–6). בממצא המתכת פרסות של בהמות מסע (איור 7:18) ומשאף של נרגילה (איור 8:18). כן נמצאו פריטים מושחזים של אם הפנינה שנועדו לשיבוץ בתכשיטים וחפצים (איור 9:18) ופומית סיגריה מעצם (איור 10:18).
עוד נתגלו בהצטבריות האדמה שכיסו את השרידים בחפירה שני מטבעות מימי שלטונו של עבד אל-מג'יד (מטבעת קונסטנטין;1857 לסה"נ, 1839–1861 לסה"נ), מטבע מימי שלטונו של עבד אל-עזיז (1861–1875 לסה"נ) ומטבע גרמני (מטבעת ברלין; 1897 לסה"נ).
 
בחפירה נחשפו שרידי ביצורים משתי תקופות, מתחת וסמוך לחומת העיר מהתקופה העות'מאנית, ובהם קירות ביצור מתקופה הקדומה לימי הביניים וקטעים מחומת ביצור מהמאות הי"ב–הי"ג לסה"נ. הביצור מהמאות הי"ב–הי"ג לסה"נ מצטרף לקטעים נוספים שנחשפו סמוך לחומה העות'מאנית הצפונית, המזרחית והמערבית ומיוחסים למערך הביצורים של ירושלים בימי הביניים.
חשיפתו מחדש של קטע מתעלה 108 מאפשרת בחינה מחודשת של תיארוך מערכת המים שהובילה ממזרח לשער שכם ועד הר הבית (תעלת שער שכם; תעלת הבריכה העליונה; אמת המים החשמונאית). חלק מהחוקרים הציעו לתארכה לימי הבית הראשון וחלקם — לימי החשמונאים. ממצאי החפירה מעידים כי קטע התעלה שנחשף בחפירה נמצא בחלקה הצפוני של מערכת המים, כפי שמופיע בתכניתו של שיק (איור 4). עוד מעידים ממצאי החפירה כי התעלה נבנתה ולא נחצבה, בשונה מתיאורו של שיק, ולכן לא מדובר באותה תעלה. נראה אם כן כי קטע תעלה 108 נבנה מאוחר לתעלה המקורית החצובה, אך מנצל את התוואי הקדום שלה. אין אפשרות לקבוע את מועד חציבתה של התעלה הקדומה, אך שלב הבנייה המאוחר שהתגלה בחפירה מתוארך לתקופות הצלבנית–האיובית על סמך הממצאים שהתגלו בתשתיתה, הסיתות האלכסוני על אבני הדופנות שלה ותיארוך חומת הביצור שאליה היא נסמכת. אפשר שחפירות עתידיות באזור שער שכם ומערת צדקיהו ישפכו אור על מהלכה של התעלה מצפון לחומה העות'מאנית.
מערכת המים המורכבת שנחשפה סמוך לשער שכם הייתה חלק מהתשתיות העירוניות בשלהי התקופה העות'מאנית ובימי המנדט הבריטי, והיא מלמדת על השגשוג העירוני של ירושלים ועל מרכזיותו של השער ששימש כניסה ראשית לעיר בתקופה זו.