Подземные сооружения первой очереди Московского метрополитена возводились, как правило, из монолитного бетона и железобетона. Применялся в основном ручной труд, к строительству было привлечено огромное количество рабочих.
Успехи советской металлургии, укрепление базы машиностроения привели к решению о применении чугунных тюбингов для обделок сооружений подземных магистралей в Москве. С 1935 г., на строительстве линий второй и третьей очередей метрополитена, такие тюбинги широко применялись для обделки станций и перегонных и эскалаторных тоннелей глубокого заложения. Тюбинговая чугунная обделка позволила резко сократить ручной труд, количество лесоматериалов и решить одну из наиболее сложных задач — задачу гидроизоляции тоннельной обделки. Все эти преимущества и обусловили тот факт, что вплоть до 1953 г. техника строительства подземных сооружений ориентировалась на тоннельные обделки из чугунных тюбингов.
Обделка из чугунных тюбингов применяется при закрытом способе работ, в сложных гидрогеологических условиях, при наличии грунтовых вод с напором более 1 атм. Каждый тюбинг представляет собой коробку, открытую внутрь тоннеля. Цилиндрическая оболочка образуется спинкой (дном), окаймленной с четырех сторон бортами (фланцами) с отверстиями для болтов; между бортами располагаются внутренние усиливающие ребра. Тюбинги в кольцах и кольца скрепляются между собой болтами с асбобитумными или полиэтиленовыми шайбами. Зазор между контуром выработки и наружной поверхностью обделки заполняется цементно-песчаным раствором с таким расчетом, чтобы сборная чугунная обделка после монтажа была плотно обжата грунтовой средой и работала при воздействии нагрузок совместно с окружающей породой.
В настоящее время на тюбинги чугунных обделок последних, усовершенствованных, конструкций разрабатывается государственный стандарт, в котором излагаются размеры, формы и характеристики тюбингов, обоснованные многолетней практикой их изготовления, строительства и эксплуатации. Для удобства и удешевления производства строительных работ в нижней части обделки устанавливаются тюбинги чугунно-железобетонной комбинированной конструкции, с плоским очертанием с внутренней стороны.
Тюбинги с плоской лотковой частью составлены из железобетонного несущего основания и внутренней чугунной противофильтрационной плиты, прочно соединенной с железобетонной частью. Применяя соответствующие прокладки, можно составлять из обычных тюбингов обделку различных сечений — овальных и комбинированных — для таких притоннельных сооружений, как вентиляционные сбойки, насосные и вентиляционные установки, камеры съездов и др.
В целях унификации чугунной обделки перегонных тоннелей закрытого способа работ разработан и утвержден рабочий проект такой обделки с наружным диаметром 5,5 м и внутренним 5,1 м. Кольцо имеет по окружности 32 болтовых отверстия и может собираться с плоским лотком и без него. Для уменьшения количества чугуна, требуемого для сооружения обделки перегонных тоннелей, создан рабочий проект тюбинговой обделки из высокопрочного чугуна, предусматривающий взаимозаменяемость колец обделки из серого и высокопрочного чугуна. Масса тюбингов кольца из высокопрочного чугуна — 3,639 т, что дает экономию на 1 пог. м тоннеля 1,259 т, или 34,6% чугуна.
В опытном порядке 14 колец тюбингов из высокопрочного чугуна уложены в тоннелях Калининского радиуса Московского метрополитена. Результаты опытной эксплуатации удовлетворительные. Усовершенствована конструкция обделки и эскалаторных тоннелей. В настоящее время обделка наклонного тоннеля для трех эскалаторов собирается из колец шириной 1 м с наружным диаметром 7,5 м и внутренним 7 м. Требуемое на 1 пог. м тоннеля количество чугуна составляет 12,175 т, в то время как в применяемой ранее обделке оно достигало 17,25 т. Получена экономия 5,07 т, или 29%, чугуна на 1 пог. м тоннеля.
Станции глубокого заложения в гидрогеологических условиях, когда напор грунтовых вод достигает 1—3,5 атм, сооружают из чугунных тюбингов.
Если в станциях пилонного типа тоннельные обделки отделены одна от другой грунтовыми промежутками и объединены в общую пространственную систему проходами, то в колонных станциях обделки боковых и среднего тоннелей сближены так, что образуют единую замкнутую трехсводчатую конструкцию, разделенную двумя рядами колонн.
До 1970 г. на Московском метрополитене было построено пять колонных станций — «Маяковская», «Семеновская», «Курская»-кольцевая, «Комсомольская»-кольцевая и «Павелецкая»-радиальная. Их конструктивное решение основано на использовании чугунных обделок станционных тоннелей диаметром 9,5 м и частично (станция «Комсомольская»-кольцевая) 11,5 м. Пролеты между колоннами в продольном направлении для поддержания боковых и среднего сводов перекрыты либо стальными конструкциями (прогонами, балками), либо арочными перемычками, составленными из фасонных чугунных тюбингов. Такие конструкции отличаются большой трудоемкостью — после проходки и монтажа тоннельных обделок необходимо вести специальные работы по монтажу стальных поддерживающих конструкций.
Стремление проектировщиков и строителей удешевить сооружение станций, уменьшить их металлоемкость без ущерба для эксплуатационных качеств привело к созданию более прогрессивных конструкций колонных станций. За последнее десятилетие в Москве построено шесть колонных станций более совершенных конструкций — «Площадь Ногина» (две станции), «Пушкинская», «Кузнецкий мост», «Марксистская» и «Авиамоторная». Конструкции обделок этих станций выгодно отличаются от ранее построенных, в частности, тем, что распорными поддерживающими стальными элементами служат только однотипные колонны с опорными площадками для опирания боковых и среднего сводов. Башмаки и опорные балки полностью исключены, а прогоны заменены типовыми перемычками из фасонных чугунных тюбингов. Цикл работ по монтажу металлоконструкций после проходки тоннелей исключен полностью.
С целью уменьшения расходов чугуна в нижних лотковых частях станционных тоннелей пилонных и колонных станций вместо чугунных тюбингов применяются чугунно-железобетонные блоки с чугунными гидроизолирующими плитами, заанкеренными в железобетонную часть блока, являющуюся основной несущей конструкцией.
Однако даже при использовании самых усовершенствованных конструкций обделки перегонных тоннелей расход высокопрочного чугуна на 1 пог. м тоннеля составляет 3,415 т, а серого чугуна — 4,611 т, или 10 тыс. т на 1 км трассы. На сооружение линии метрополитена длиной 10 км с восьмью станциями потребуется около 160 тыс. т чугуна.
Естественно, что перед метростроителями стояла задача максимального сокращения расхода чугуна на тоннельные обделки путем замены его более рациональными в экономическом и техническом отношениях материалами. Такими материалами неоспоримо являются бетон и железобетон, особенно при современном развитии механизированной технологии их изготовления, включая производство высокомарочных цементов.
Для оценки возможности замены чугунной обделки железобетонной было опробовано и внедрено много типов конструкций обделки из сборного железобетона с расчеканкой швов расширяющимся водонепроницаемым цементом. На линии Рижского радиуса Московского метрополитена и на соединительной ветке Фрунзенского радиуса с кольцевой линией применена десятиблочная обделка из одинаковых блоков прямоугольного сплошного сечения без замкового и смежных блоков. Внутренний диаметр обделки 5,6 м, наружный — 6,1 м. Расход бетона составил 4,6 м3/пог. м, расход металла — около 740 кг/пог. м.
На втором участке Фрунзенского радиуса на длине около 3,6 км смонтирована сборная ребристая усиленная обделка из десяти блоков в кольце шириной 1 м при высоте ребер 45 см. Расход бетона — 6,42 м3/пог. м, расход металла на арматуру и скрепления — 610 кг/пог. м. На Калужском радиусе внедрена ребристая железобетонная обделка из восьми блоков. Лотковый и замковый блоки —- сплошного сечения, соединения колец предусмотрены на болтах.
К настоящему времени все разнообразие конструкций сборной обделки приведено к единой унифицированной обделке из блоков ребристого и сплошного сечения, с цилиндрическими стыками в продольных швах, с плоским блоком в лотке и двояковогнутым замковым блоком. Всего в кольце восемь блоков — шесть обычных, один лотковый и один замковый, разделенный по длине на три части. Внутренний диаметр кольца — 5,1 м, наружный — 5,5 м. Блоки сплошного сечения и ребристые взаимозаменяемые. Обделка признана оптимальной и экономичной. Расход бетона и арматуры на 1 пог. м обделки из ребристых блоков и обделки из блоков сплошного сечения составляет соответственно 3,29 м3 и 230,3 кг, 3,46 м3 и 227 кг.
Для повышения трещиностойкости, а следовательно, и водонепроницаемости сборной железобетонной обделки, для исключения необходимости нагнетания раствора в заобделочное пространство, а также для предотвращения осадок поверхности при щитовой проходке тоннелей осуществляют обжатие обделки в породу. С этой целью у горизонтального диаметра и в лотковом блоке размещают специальные домкраты. Такой технологический прием, как обжатие обделки в породу, позволяет уменьшить процент армирования в 3 раза или даже полностью исключить арматуру. Однако поскольку в обжатой обделке оставлены унифицированные блоки длиной более 2 м, то арматура, необходимая по условиям монтажа, складирования и транспортирования, оставлена без изменения.
Для повышения водонепроницаемости железобетонных блоков тоннельной обделки был опробован целый ряд методов. Наилучшие результаты получены при испытаниях на стенде железобетонной обделки из блоков, изготовленных СМУ-7 Мосметростроя. В теле блока по его толщине размещены металлические экраны с приваренными к ним соосно арматурными шпильками для сохранения целостности блока. Из таких блоков собраны три кольца обделки, установленные на перегоне между станциями «Пушкинская» и «Баррикадная» Ждановско-Коаснопресненской линии Московского метрополитена. Наряду с широким применением обделок из сборного железобетона постепенно увеличивается применение бетонной монолитно-прессованной обделки.
Усилия ученых и конструкторов направлены на снижение деформативности обделки и уменьшение трудоемкости ее монтажа. В опытном порядке Мосметрострой совместно с Метрогипротрансом и ЦНИИС изучают конструкцию унифицированной обделки из блоков сплошного сечения с уголковыми и коробчатыми связями растяжения между блоками. С той же целью изготовлены блоки с коробчатыми болтовыми связями, установленными по углам каждого блока. Металлические коробки устанавливаются с анкерами при бетонировании блоков. С двух сторон каждая коробка приваренными анкерами скрепляется с телом блока, ограничивает наружный угол блока и служит для связи блоков в кольце и колец между собою.
Если рассматривать конструкции железобетонных обделок перегонных тоннелей открытого способа работ, то можно отметить, что они изменились наиболее существенно. Достаточно вспомнить, что расход монолитного бетона и железобетона на 1 пог. м однопутного тоннеля первой очереди строительства Московского метрополитена составлял около 10 м3 при ручной укладке бетона в деревянную опалубку и при наклейке вручную рулонной оклеечной гидроизоляции.
На участке открытого способа Фрунзенского радиуса, где тоннели построены с обделкой сборно-монолитной железобетонной конструкции (лоток и стены монолитные, перекрытие сборное), на 1 пог. м тоннеля требовалось 7,73 м3 железобетона и бетона. На Калужском радиусе обделка перегонных тоннелей выполнена полностью из сборного железобетона, при этом на 1 пог. м однопутного тоннеля затрачено 4,6 м3 железобетона, а на 1 пог. м двухпутного — 7,6 м3. В конструкции обделки однопутного тоннеля -— три типа блоков, двухпутного — пять.
Геометрические размеры блоков для разных глубин заложения остаются неизменными, разница в величинах воспринимаемых нагрузок решается разной степенью армирования. Из блоков сборных тоннельных обделок в настоящее время выполняются обделки всех притоннельных сооружений с применением на сопряжениях небольшого количества монолитного железобетона. На опытном участке тоннеля проходит испытания обделка из целых замкнутых секций полной заводской готовности при объеме железобетона 3,8 м3/1 пог. м. Работы по монтажу и гидроизоляции полностью механизированы.
За последние 20 лет значительным усовершенствованиям подверглись конструкции станций открытого способа работ. Из монолитного железобетона сооружены три односводчатые («Сходненская», «Бабушкинская» и «Перово») и одна колонная станции («Ленинский проспект») Московского метрополитена. В стадии строительства находится пять односводчатых станций. Большая часть станций все же колонного типа с обделкой из сборного железобетона. Односводчатые станции из монолитного железобетона марки «300» строятся индустриальными методами, с подвижной опалубкой, со сборным арматурным каркасом заводского изготовления. На сводчатой части опалубки укрепляются выступающие детали для получения на внутренней поверхности станционного свода архитектурного рельефа.
Первые колонные станции, сооружаемые в открытых котлованах из сборного железобетона, начали строить на Калужском радиусе и на продлении Покровско-Арбатской линии Московского метрополитена. Шаг колонн в продольном направлении был принят равным 4 м, ширина платформы составила 10 м. Лотковая часть выполняется из монолитного железобетона. Все пристанционные сооружения, вестибюли, внутренние стены, перекрытия, лестницы выполняют сборными из железобетонных элементов заводского изготовления.
На первых стадиях проектирования и строительства колонных станций из сборного железобетона наряду с их значительными преимуществами были выявлены и недостатки: большое количество типоразмеров железобетонных элементов, немалый вес монтажных элементов при их количестве на станцию около 3700, излишняя частота колонн и однообразное объемно-конструктивное решение, что ограничивало возможности архитектурного оформления станций.
В дальнейшем, по мере накопления опыта проектирования и строительства, сборная конструкция колонной станции была значительно переработана и улучшена в строительном и эксплуатационном отношениях. В частности, продольный шаг колонн в зависимости от величины постоянной нагрузки принят равным 4,5 м, 6 и 7,5 м. Массы и геометрические размеры элементов значительно увеличены, а их количество на платформенную часть станции с двумя вестибюлями уменьшено до 2300.
Всего к настоящему времени московским Метростроем сооружено из сборного железобетона 36 колонных станций. Семь станций находятся в стадии строительства, На станциях, возведенных в последние годы, применена гидроизоляция из нового материала гидростеклоизола, который обеспечивает более индустриальный способ нанесения (путем оплавления газопламенной горелкой) битумного слоя, находящегося на рулонном материале. Такой же тип гидроизоляции используется на односводчатых станциях из монолитного железобетона.
Выдающимся достижением метростроевцев Москвы стало осуществление смелого проектного решения — примыкания новых, строящихся тоннелей с чугунной обделкой к действующим перегонным тоннелям метрополитена без перерыва движения поездов (перегон станция «Площадь Революции» — станция «Арбатская»), Вначале рядом с действующими тоннелями были пройдены штольни. В них установили железобетонные опоры объемлющих сводов. Затем были пройдены выработки и возведена тюбинговая обделка над обделкой тоннелей, в которых не прерывалось движение поездов. Когда объемлющая обделка была готова, в ней смонтировали дублирующие коммуникации внутритоннельных устройств. После переключения существующих кабелей и сигнальных устройств тюбинги, старой обделки действующего тоннеля разобрали.
Еще более сложные, требующие большого искусства горнопроходческие приемы впервые в отечественном метростроении были использованы при сооружении станции «Горьковская» на действующих перегонных тоннелях между станциями «Площадь Свердлова» и «Маяковская». Первоначально между перегонными тоннелями прошли средний станционный тоннель диаметром 9,5 м с чугунной обделкой с проемами сверху, перекрытыми временными тюбингами. Затем с каждой стороны перегонных тоннелей последовательно прошли продольные штольни, в которых бетонировали опоры объемлющих сводов боковых станционных тоннелей с обделкой из чугунных тюбингов, при наружном диаметре колец 9,5 м. Станция была сооружена досрочно, без перерыва движения и без строительных осложнений, при отличном качестве.