Сооружение метрополитенов — одна из наиболее технически сложных и трудоемких отраслей современного строительства. Она требует высокого профессионального уровня в самых различных областях науки и техники, знания механики горных пород и подземной гидравлики, строительной механики и строительных материалов, машиностроения, энергетики и автоматики, организации строительного производства и экономики, архитектуры, особенностей монументальной и декоративной живописи. Условия строительства и эксплуатации подземных сооружений обусловливают требование самого высокого качества их возведения, а трудоемкость выполнения подземных работ выдвигает на первый план задачи комплексной механизации работ при широком применении машин и механизмов.

С. Н. Власов, главный инженер Главтоннельметростроя
С. Н. Власов, главный инженер Главтоннельметростроя
Процесс строительства метрополитенов и тоннелей четко разделяется на два этапа. На первом, наиболее трудоемком, проходят выработки, зачастую в сложных инженерно-геологических условиях, и возводят постоянную несущую конструкцию — обделку. На этом этапе решают главную задачу — обеспечить надежность и долговечность подземного сооружения и создать условия для его устойчивой эксплуатации. Успешное решение этой задачи зависит от применяемых материалов и конструкций, технологии возведения последних, методов гидроизоляции, гидрогеологических условий, способов производства работ и т. п.

На втором этапе построенные тоннели оснащают технологическим оборудованием (электротехническим, сантехническим, средствами связи и автоматики), прокладывают пути, выполняют архитектурно-отделочные работы. Задача этого этапа -— обеспечить надежную и комфортную эксплуатацию сооружения. Ее решение зависит от технического уровня проектно-конструкторских разработок, надежности и совершенства оборудования и технологических устройств, тщательности выполнения монтажа. Эстетический вид сооружения определяется художественным уровнем архитектурного проекта, качеством его осуществления и выполнения отделочных работ, материалами.

Обделка станционного тоннеля из чугунных тюбингов
Обделка станционного тоннеля из чугунных тюбингов
Транспортное сооружение, которое непрерывно обслуживает огромные потоки людей, должно отвечать коммунистическому лозунгу: «Все во имя человека, все на благо человека».

В течение полувекового периода советского метростроения усилия производственных, проектно-конструкторских и научно-исследовательских организаций направлены на повышение индустриализации работ, качества сооружений и устройств, эффективности строительства метрополитенов.

Тоннельная обделка из сборных железобетонных блоков
Тоннельная обделка из сборных железобетонных блоков
Начальный период строительства тоннелей глубокого заложения характеризовался применением традиционных методов работ, заимствованных из опыта сооружения горных тоннелей и подземных выработок в горной промышленности. Эти методы были основаны на возведении тоннельных обделок из монолитного бетона по частям. При открытом способе работ тоннели и станции возводились в котлованах, с креплением сваями и расстрелами и бетонированием конструкций из монолитного бетона в деревянной опалубке. На ряде участков применялся траншейный способ разработки грунта с подводкой стен из монолитного бетона. Грунт в котлованах разрабатывали главным образом вручную, с использованием транспортеров и кранов-укосин с бадьями. Для гидроизоляции конструкций применяли рубероид, пергамин, а позже гидроизол, накладываемые в три-четыре слоя на горячую битумную мастику.

Однако на участках закрытого способа работ уже на второй и третьей очередях строительства московского метро широкое применение нашел щитовой способ проходки перегонных и станционных тоннелей с устройством сборной чугунной обделки. Вначале для перегонных тоннелей использовалась обделка диаметром 6 м, с шириной кольца 0,75 м. Затем (впервые на строительстве ленинградского метро) для перегонных тоннелей начали применять чугунную обделку диаметром 5,5 м, с шириной кольца 1 м.

При сооружении тоннелей в слабообводненных и сухих грунтах нашла применение обделка из сборного железобетона, без устройства гидроизоляционной рубашки, с плоским лотком. Плоский лоток в сочетании с чугунной обделкой используют часто: такая конструкция позволяет полностью исключить трудоемкие работы по очистке лотка от породы. Отпадает необходимость в устройстве жесткого основания под рельсовый путь.

Состояние техники метростроения в настоящее время характеризуется тенденцией индустриализации строительства, предусматривающей:

  • повышение уровня сборности подземных сооружений за счет широкого применения сборных железобетонных и чугунных конструкций;
  • применение в строительстве прогрессивных конструкций, материалов и технологических процессов, снижающих трудовые затраты и повышающих технический уровень строительства;
  • повышение уровня механизации и комплексной механизации горнопроходческих и строительно-монтажных работ;
  • специализацию отдельных видов работ.
Конструкции обделок перегонных тоннелей — чугунных и железобетонных — непрерывно совершенствовались: повышалась их несущая способность, трещиностойкость, улучшалась технологичность монтажа при строительстве, снижалась материалоемкость. Значительным достижением в совершенствовании обделок перегонных тоннелей из железобетона явились разработка и широкое применение, особенно на объектах Ленметростроя, обделок, обжимаемых в породу. При этом улучшается статическая работа конструкции, исключается процесс первичного нагнетания раствора, значительно снижаются трудовые затраты.


На строительстве Ташкентского метрополитена впервые в нашей стране разработана и внедрена сейсмостойкая сборная железобетонная обделка перегонных тоннелей, обеспечивающая высокую устойчивость конструкции при действии внешних колебательных нагрузок. Исследованиями, проведенными ЦНИИС совместно с ЦНИИТ-маш, установлена практическая возможность снижения веса чугунных обделок путем применения нового материала — высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, прочностные характеристики которого в 2—3 раза выше характеристик серого чугуна СЧ40-60. Результаты испытаний и опытной эксплуатации таких конструкций обделок позволяют в ближайшее время начать их массовое изготовление. Это обеспечит еще большее снижение материалоемкости чугунных обделок.

При сооружении тоннелей открытым способом в котлованах постепенно переходили на сборные конструкции, вначале только для перекрытий, а затем для стен и лотка. Дальнейшее совершенствование конструкций привело к созданию обделок перегонных тоннелей из цельных однопутных секций.


Все станции глубокого заложения, сооружавшиеся после строительства линий первой очереди московского метро, имели конструкции пилонного типа, с 10—12 проходами с каждой стороны. Однако необходимость улучшения условий эксплуатации, увеличения подземных пространств, создания более выразительных архитектурных ансамблей определила разработку нового конструктивного решения — колонной станции глубокого заложения.

Первой такой станцией была «Маяковская», удостоенная на Международной парижской выставке 1937 г. премии Гран-при. За «Маяковской» последовали станции «Курская» и «Комсомольская»-кольцевая в Москве и «Технологический институт» в Ленинграде. Особенность конструкций колонных станций заключалась в том, что стальные прогоны и колонны устанавливались в заранее пройденных боковых тоннелях диаметром 9,5 м. Оригинальный облик этих станций свидетельствовал о больших возможностях новой конструктивной схемы. Однако работы по возведению колонн и прогонов были трудоемки, что заставляло изыскивать новые конструктивные решения.

Метрогипротранс в содружестве с Мосметростроем, ЦНИИС и Московским механическим заводом разработал конструкцию колонной станции, в которой прогоны были заменены клинчатыми перемычками, входящими в состав обделок среднего и боковых тоннелей. Элементы перемычек вместе с металлическими колоннами и тюбингами временного заполнения проемов устанавливались одновременно с монтажом очередного кольца обделки. В свод среднего тоннеля станции были введены дополнительные элементы, позволяющие поднять его на 1,5 м по отношению к крайним тоннелям, что создавало возможность разместить натяжную камеру в пределах посадочной платформы и улучшить архитектурный облик станции. Вся конструкция, исключая стальные колонны, возводилась на основе типовой обделки диаметром 8,5 м. В последнее время из таких конструкций возведены станции Московского метрополитена «Кузнецкий мост», «Пушкинская» и «Марксистская».

С целью уменьшения металлоемкости конструкций, улучшения условий производства работ и снижения их стоимости на строительстве Кировско-Выборгской линии Ленинградского метрополитена была разработана и применена новая конструкция станции колонного типа, с обделкой из железобетонных тюбингов, с применением бетона марки «600» и металлоконструкций колонн из высокопрочной низколегированной стали. В Ленинграде такая конструкция была использована для станций «Выборгская», «Лесная» и «Академическая».

Конструкция станций мелкого заложения обычно представляет собой трехпролетную раму с двумя рядами колонн из сборных железобетонных элементов. Новый типовой проект для сооружения таких станций (ТС-109) предусматривает сокращение количества типоразмерных сборных элементов, увеличение их размеров и веса.

Сейсмические, а также геологические условия строительства Бакинского и Ташкентского метрополитенов обусловили необходимость создания конструкций станций мелкого заложения из сборно-монолитного железобетона с использованием жесткой арматуры в комбинации с каркасами из гибкой арматуры. В качестве опалубки применены сборные железобетонные опалубочные блоки или плиты.

В последнее время все большее распространение находят односводчатые конструкции, одним пролетом перекрывающие платформу и пути. Их возведение на линиях первых очередей московского метро (станции «Библиотека имени Ленина» и «Аэропорт») отличалось высокой трудоемкостью, в связи с чем эти конструкции длительное время не применялись. Большой прогресс в их возведении достигнут на Ленметрострое. На трассе Кировско-Выборгской линии были сооружены две односводчатые станции глубокого заложения — «Площадь Мужества» и «Политехническая». Конструкции их выполнены из железобетона и бетона и представляют собой многошарнирные верхний и обратный своды, состоящие из железобетонных сплошных блоков, разжатых в породу. Своды опираются на мощные опоры из монолитного бетона, устраиваемые в заранее сооружаемых для этой цели выработках.

На строительстве Харьковского метрополитена были сооружены индустриальными методами три односводчатые станции мелкого заложения в открытых котлованах («Спортивная», «Центральный рынок» и «Турбинный завод»). Конструкция их представляет собой свод переменного сечения с уширенной пятой и затяжкой. Армирование свода осуществлялось с помощью заранее заготавливаемых пространственных арматурных каркасов. Бетонирование велось в передвижной металлической опалубке.

Односводчатые станции мелкого заложения такого типа нашли применение в ташкентском метро, где их конструкции были усилены с учетом сейсмических условий эксплуатации, а также на других стройках. Опыт сооружения односводчатых станций показал, что их конструкции и технология работ позволяют применять индустриальные методы, а особенности односводчатой конструкции расширяют возможности архитектурного оформления станций.

Непрерывное совершенствование основных несущих тоннельных конструкций — обделок позволило достигнуть высокого уровня их индустриализации по степени сборности, которая в настоящее время составляет для обделок перегонных тоннелей 0,85—0,9 и для станционных обделок — 0,8—0,85.

Цельносекционная обделка тоннеля открытого способа работ
Цельносекционная обделка тоннеля открытого способа работ
Непрерывно обновляется техника механизации тоннельных работ. Щитовой способ в сочетании со сборными обделками позволил устранить тяжелые и трудоемкие процессы по установке временного деревянного крепления, возведению монолитной обделки, устройству оклеенной гидроизоляции. Механизирован проходческий цикл (погрузка и транспортировка породы, доставка материалов, монтаж элементов обделок, нагнетание раствора, чеканка швов и т. п.), повышается мощность и производительность механизмов — погрузочных машин, электровозов, вагонеток, укладчиков обделок. Созданы конструкции блокоукладчиков для бесщитовой проходки в устойчивых породах на полный профиль буровзрывным способом. Дальнейшие разработки привели к созданию агрегата с машинным обуриванием забоя и комплексной механизацией работ по проходке тоннеля.

Механизированный щит КТ-1-5,6 для устойчивых пород
Механизированный щит КТ-1-5,6 для устойчивых пород
Повышение уровня механизации тоннельных работ, особенно обеспечение ее комплексности, привело к созданию принципиально новых машин — механизированных щитов и комплексов для скоростного сооружения тоннелей. Появилась возможность оснащать стройки Главтоннельметростроя высокопроизводительными механизированными щитовыми комплексами для проходки перегонных тоннелей в достаточно широком диапазоне гидрогеологических условий.

На Ясииоватском машиностроительном заводе созданы и серийно выпускаются механизированные комплексы: КТ1-5,6 для устойчивых пород под сборную обделку, КТ1-5,6Д2 со сменным оборудованием (экскаватор и стреловой шарошечный рабочий орган) для мягких слабоустойчивых и крепких пород под сборную обделку, ТЩБ-7 и ТЩФ-1 для мягких пород под монолитно-прессованную обделку. Московский механический завод изготовляет механизированные щиты ЩМР-1 для устойчивых пород и ЩН-1Э с экскаваторным рабочим органом для мягких неустойчивых пород. Оба щита предназначены для тоннелей со сборной железобетонной обделкой. В 1979 г. на заводе создан механизированный комплекс КМО-2X5 для сооружения тоннелей мелкого заложения с цельносекционной обделкой и изоляцией заводского изготовления.

В последнее время значительно увеличился парк тоннельных машин и механизмов, бурового оборудования, подъемно-транспортных и общестроительных машин, автомобилей. Только за прошедшее десятилетие механовооруженность строительства повысилась на 78%, электровооруженность возросла на 15%. Если в 3965—1970 гг. на 1 млн. руб. строительно-монтажных работ затрачивалось 36,7 тыс. чел.-дн., то в 1976- 1980 гг.— 22,1 тыс. чел.-дн.

Механизированный щит ТЩБ-3 для устойчивых пород
Механизированный щит ТЩБ-3 для устойчивых пород
Парк механизированных щитов Главтоннельметростроя к 1981 г. составил 20 ед. В десятой пятилетке с их помощью построено более 20% всех тоннелей, сооружаемых закрытым способом, что в 2 раза больше, чем в девятой пятилетке. Строительство тоннелей механизированными щитами будет всемерно расширяться.

Применение механизированных проходческих щитов открыло возможность внедрения прогрессивных технологических процессов, позволяющих комплексно решать вопросы эффективного использования прогрессивных конструкций и материалов в сочетании с механизацией работ. Прежде всего следует отметить технологию сооружения тоннелей с обделкой, обжимаемой в породу, с применением комплекса КТ 1-5,6, позволившую на строительстве Ленинградского метрополитена добиться устойчивых скоростей проходки тоннеля — до 300—350 пог. м в месяц и достичь в 1981 г. мирового рекорда — сооружения 1250 пог. м готового тоннеля в месяц. На строительстве Киевского метрополитена в спондиловых глинах применялся механизированный щит ЩМР-1. Была достигнута скорость 264 пог. м в месяц. В Москве на трассе Калининского радиуса в известняках с помощью щита ЩМР-1 был построен участок тоннеля протяженностью 1360 м со средней скоростью 100 пог. м в месяц.

В последние годы все более широко применяется технология сооружения тоннелей с монолитно-прессованной обделкой, впервые использованной в Москве и в Тбилиси. Конструкция позволяет резко сократить расход металла, исключить работы по нагнетанию раствора в заобделочное пространство и чеканке швов, повысить качество сооружения. Авторы прогрессивного новшества удостоены Государственной премии СССР. В настоящее время этот тип обделки и технология работ широко применяются на строительстве метрополитенов в Минске и Горьком. В 1980 г. коллектив Горметростроя достиг высокой скорости проходки по этой технологии — 135 пог. м в месяц.

Все большее распространение получает метод продавливания тоннелей мелкого заложения в мягких грунтах под наземными сооружениями (железными дорогами, автомагистралями, трубопроводами), позволяющий успешно осуществлять пересечения без специальных работ по усилению или переносу наземных конструкций.

Значительные изменения претерпела технология работ по сооружению тоннелей и станций мелкого заложения в открытых котлованах. Широкое применение оборудования для забивки балок крепления котлованов, экскаваторов и бульдозеров для земляных работ и кранов ККТС-20 позволяет комплексно механизировать процесс строительства. Освоение в Москве анкерного крепления котлованов взамен металлических расстрелов открывает большие возможности для скоростного возведения конструкций станций и перегонных тоннелей открытого способа работ.

При этом коренным образом изменяется технология гидроизоляционных работ. Устройство оклеенной гидроизоляции из трех-четырех слоев гидроизола на горячем битуме заменено прогрессивной технологией, основанной на использовании новых материалов — гидростеклоизола и стеклорубероида. Их наклеивают путем оплавления пропановыми горелками битумного покровного слоя. Такая технология резко повысила культуру и безопасность работ, значительно снизила трудовые затраты.

В 1979—1980 гг. в Киеве успешно освоено сооружение тоннелей мелкого заложения открытым способом из дельных секций с применением механизированного комплекса КМО-2Х5. Отпала необходимость использовать балки и расстрелы для крепления котлованов. Все работы сосредоточиваются на коротком участке, сокращается их трудоемкость. Используются секции с гидроизоляцией заводского изготовления.

Как видно из таблицы, применение прогрессивных конструкций и технологических процессов постоянно увеличивается.

Комплекс КТ-5.6Д2 с фрезерным стреловым рабочим органом
Комплекс КТ-5.6Д2 с фрезерным стреловым рабочим органом
При строительстве метрополитенов и тоннелей в сложных гидрогеологических условиях широко используются специальные способы работ. С применением таких способов сооружают ориентировочно 30—35% общей протяженности строящихся линий метрополитенов. К настоящему времени только способом искусственного замораживания грунтов сооружено более 100 наклонных тоннелей длиной свыше 6 тыс. пог. м, пройдено около 200 стволов шахт, построено более 35 котлованов для подземных вестибюлей, сооружено около 5 км станционных и перегонных тоннелей. С применением искусственного понижения уровня грунтовых вод за последние годы сооружено более 17 км тоннелей метрополитенов.

Впервые в СССР на строительстве Ленинградского метрополитена внедрено безрассольное замораживание грунтов с использованием жидкого азота, испаряющегося в замораживающей колонке (без холодильных установок). Благодаря низкой температуре испарения жидкого азота (—195° С) время, затрачиваемое на замораживание, в 9 раз меньше, чем при рассольном замораживании.

Щитовой комплекс КМО-2Х5 для сооружения тоннелей открытым способом
Щитовой комплекс КМО-2Х5 для сооружения тоннелей открытым способом
Вначале в Баку, а затем в Киеве при сооружении тоннелей в грунтах с высоким гидростатическим давлением грунтовых вод был применен способ проходки под сжатым воздухом в сочетании с водопонижением, что позволило успешно выполнить работы в исключительно сложных условиях. При строительстве Бакинского метрополитена был разработан и внедрен комплекс мероприятий (покрытие на тюбингах, катодная защита, антикоррозийная смазка, сульфатостойкие цементы), позволивший устранить коррозионные разрушения обделок. Приобретенный опыт служит основой дальнейшего совершенствования специальных способов работ при строительстве метрополитенов в сложных гидрогеологических условиях.

Котлован открытого способа работ, закрепленный анкерами на станции «Южная» Серпуховского радиуса
Котлован открытого способа работ, закрепленный анкерами на станции «Южная» Серпуховского радиуса
Большое значение приобретает специализация строительно-монтажных организаций на выполнении отдельных видов работ: путевых, монтажных, по оборудованию постоянных устройств, архитектурно-отделочных. Специальные подразделения имеют постоянный состав квалифицированных работников, производственные базы, применяют отработанную технологию, что позволяет вести работы индустриальными методами.

Совершенствование конструкций тоннелепроходческой техники, повышение механизации работ и улучшение их организации, внедрение новых производственных процессов способствовали значительному сокращению нормативных затрат труда. Так, по сравнению с затратами на строительстве первой очереди Московского метрополитена они сократились для тоннелей глубокого заложения почти в 4 раза, а для тоннелей мелкого заложения — более чем вдвое.

Одними из главных задач одиннадцатой пятилетки являются дальнейшее ускорение научно-технического прогресса, перевод экономики на интенсивный путь развития, всемерная оптимизация использования ресурсов, улучшение качества работы. Для выполнения этих задач Главтоннельметрострой вместе со строительными, проектно-конструкторскими и научно-исследовательскими организациями разработал Основные направления научно-технического прогресса в метростроении на 1981—1985 гг., которые предусматривают повышение эффективности строительства метрополитенов на основе дальнейшей индустриализации и механизации производственных процессов и повышения производительности труда.

В области тоннельных конструкций по сравнению с десятой пятилеткой намечается увеличить на 20—25% применение обделок, обжимаемых в породу, цельносекционных и монолитно-прессованных, и довести использование таких конструкций в общем объеме строительства тоннелей до 35—38%.

Значительно шире намечено применять в соответствующих инженерно-геологических условиях колонные станции глубокого заложения. Сооружение колонных станций мелкого заложения будет вестись только по новым типовым проектам, с использованием укрупненных элементов. Продолжатся исследования по созданию новых типов сборных чугунных и железобетонных конструкций колонных и односводчатых станций с уменьшенной материалоемкостью, разработка технологии работ для сооружения их в различных инженерно-геологических условиях, при глубоком и мелком заложении. В частности, в Ленинграде предусматривается применение конструкций и технологии работ по сооружению комплекса станционных сооружений (платформенная часть, подстанции, вентиляционные узлы, оборотные устройства) под единым сводом.

Впервые будут применены прогрессивные индустриальные конструкции для функциональных и технологических помещений метрополитенов. Это в первую очередь экструзионные асбоцементные панели для служебных помещений, зонты из сборных алюминиевых элементов для эскалаторных тоннелей и защитные короба из стеклопластика для контактного рельса.

В области механизации тоннельных работ намечается в 2 раза по сравнению с десятой пятилеткой увеличить проходку механизированными щитами и довести ее за пятилетие до 50 км. Будут механизированы работы по бурению шпуров при проходке тоннелей буровзрывным способом в крепких породах, с использованием для этой цели буровых установок типа БУР-2 и агрегата АБТ.

Создано и применено оборудование для механизированной разработки калоттной прорези при сооружении односводчатых станций в устойчивых грунтах. Проведены опытные работы по созданию оборудования для механизированной разработки забоя колонных и пилонных станций.

Намечаются создание новых и модернизация имеющихся средств малой механизации, в том числе цементоукладчика для чеканки швов тоннельной обделки, пневмосбалчивателя на базе гайковерта, растворонагнетателя НР-2, толкателей верхнего и нижнего действия усовершенствованной конструкции, пневмобетононагнетателя емкостью 1 м3, гидроклнньев, опрокидных вагонеток и других механизмов.

Будут проводиться исследования в области перспективных способов механизированного сооружения перегонных тоннелей и станций метрополитена. Эти способы должны способствовать повышению скоростей проходки, в том числе в неустойчивых обводненных грунтах.

Намечаются внедрение экспериментального образца АСУ технологическими процессами сооружения перегонных тоннелей метрополитена на базе комплекса КТ1-5,6 в Ленинграде и внедрение первой очереди АСУ метростроения в Москве и в Ленинграде.

Будут совершенствоваться оборудование и технологические процессы для специальных способов работ при сооружении тоннелей в неустойчивых водонасыщенных грунтах с помощью водопонижения, замораживания, включая замораживание жидким азотом (изготовление и внедрение установки для погружения и извлечения труб, создание установки для бурения скважин под буронабивные сваи, разработка более прогрессивных, оперативных и надежных методов контроля за сплошностью льдогрунтового массива и т. п.).

Намечается дальнейшее развитие промышленной базы метростроения за счет расширения и реконструкции действующих предприятий, строительства новых производственных баз в Минске, Горьком, Куйбышеве, Свердловске, Новосибирске, строительства новых ремонтно-механических предприятий, заводов металлоконструкций в Москве и в Куйбышеве.

Будет осуществлена специализация заводов металлоконструкций и ремонтно-механических предприятий — промышленных баз по изготовлению и ремонту нестандартного горнопроходческого оборудования и запасных частей к нему, форм и оснастки для железобетонных конструкций. Это позволит к концу одиннадцатой пятилетки довести выпуск валовой продукции до 100—110 млн. руб. в год по сравнению с 67 млн. руб. в 1980 г., в 2 раза увеличить производство сборного железобетона и в 1,5 раза — металлоконструкций и нестандартного оборудования.

Решение всех этих и других проблем позволит еще выше поднять технический уровень работ, обеспечить рост производительности труда в одиннадцатой пятилетке.

Метростроевцы помнят слова Л. И. Брежнева, обращенные к строителям нашей страны: «Строить надо быстро, экономично и на современной технической основе — вот слагаемые высокой эффективности в капитальном строительстве».