Первые трассы линий Московского метрополитена прокладывали, исходя из принципов наиболее удобного для пассажиров их размещения, наименьшего нарушения существующей застройки и планировки города, с учетом ширины городских проездов и площадей и наличия подземных коммуникаций, а также топографических, геологических и гидрогеологических условий.
Анализ вариантов проекта показывал, что в центральной части города, с учетом сохранения зданий, представляющих историческую и художественную ценность, в целях уменьшения объемов перекладки подземных коммуникадий и сокращения помех работе наземного транспорта, наиболее целесообразна прокладка трассы при глубоком заложении тоннелей, а на периферийных участках, где это возможно,— при мелком заложении тоннелей и открытом способе работ. Были созданы технические условия на проектирование, более прогрессивные по сравнению с принятыми для зарубежных метрополитенов. Впоследствии они были заменены СНиПом, легшим в основу проектирования отечественных метрополитенов.
Внутренние габариты тоннелей для перегонов и станций допускают пропуск вагонов шириной 2,7 м и высотой 3,7 м при ширине колеи 1524 мм, укладку контактного рельса для нижнего токосъема, размещение оборудования и возможность прохода по тоннелю обслуживающего персонала. Внутренний диаметр однопутного тоннеля кругового очертания для прямой и кривой радиусом 200 м принят равным 5,1 м. Наибольшая длина поезда установлена в восемь вагонов, исходя из чего длина платформы принята равной 156 м.
Станции на линиях первой очереди строительства Московского метрополитена были размещены на расстояниях 800—1250 м одна от другой и располагались на прямых с уклоном 0,002—0,003. Станции зарубежных метрополитенов нередко располагаются в кривых малых радиусов, что небезопасно для входа и выхода пассажиров по причине больших.зазоров между платформой и вагоном.
Ввиду незначительной протяженности Арбатского радиуса независимая эксплуатация его была нецелесообразна, поэтому временно, до продления линии, движение поездов производилось посредством ответвления от Кировско-Фрунзенского диаметра. Для этого были запроектированы две однопутные ветки с ответвлением от путей Фрунзенского радиуса за станцией «Охотный ряд». Примыкание веток к двухпутному тоннелю Арбатского радиуса было осуществлено под Манежной улицей. Часть поездов следовала от станции «Сокольники» до станции «Парк культуры», часть — от станции «Сокольники» до станции «Охотный ряд» и далее до станции «Смоленская». После соединения Арбатского радиуса с Покровским и продления линии к площади Революции и Курскому вокзалу движение на ответвлении было отменено.
Для оборота подвижного состава на станциях «Сокольники», «Парк культуры» и «Комсомольская» были запроектированы двухпутные тупики с перекрестными съездами. В целях упрощения работ по удлинению линий главные пути сооружались на длину тупиков, что позволяло размещать в них на отстой в ночное время большое количество поездов. Для обслуживания подвижного состава в районе Краснопрудной улицы были сооружены депо и мастерские, которые за станцией «Комсомольская» соединили с тупиками однопутной веткой, пересекающей главный путь на разных уровнях. Для передачи с одной линии на другую порожнего подвижного состава проектировались двухпутные или однопутные ветки. В ряде мест на линии предусматривались в эксплуатационных целях съезды с одного пути на другой.
На концевых участках Кировского радиуса (от станции «Комсомольская» до станции «Сокольники») и Фрунзенского (от улицы Фрунзе до Крымской площади) трасса была запроектирована в двухпутных тоннелях. Над верхом перекрытия предусматривалась засыпка величиной, зависящей от продольного профиля и рельефа местности. На этих участках размещены станции «Сокольники», «Красносельская», «Комсомольская», «Кропоткинская» и «Парк культуры». Центральный участок линии на большом протяжении сооружен закрытым способом при глубоком заложении тоннелей. Он включает станции «Лермонтовская», «Кировская», «Дзержинская», «Проспект Маркса» и «Библиотека имени Ленина».
Сооружение Арбатского радиуса под улицей Арбат и улицей Коминтерна (ныне проспект Калинина) от Моховой улицы до Арбатской площади закрытым способом при неглубоком заложении тоннелей требовало перекладки крупных подземных коммуникаций, а также значительных работ по подводке фундаментов и укреплению зданий. Ввиду этого трасса была проложена под жилыми кварталами с неплотной застройкой при мелком заложении тоннелей, сооружаемых в основном траншейным способом.
Трасса Арбатского радиуса начинается двухпутным тоннелем. Наличие зданий Манежа, Кутафьей башни, Библиотеки имени В. И. Ленина, многоэтажной застройки по улицам Моховой и Коминтерна заставило проложить линию по кривой с минимальным радиусом 120 м и соорудить «Станцию имени Коминтерна» (ныне «Калининская») на кривой радиусом 800 м, с боковыми платформами и двухпутными тоннелями на подходах к ней.
Сложность проектирования трассы в центральной части города обусловила применение в отдельных случаях кривых радиусами до 250—300 м, хотя обычно они составляли 400 м и более, а радиусы сопрягающих кривых равнялись 1500 м. Предельный уклон был установлен 0,033 и применен только в трех местах; как правило, уклоны продольного профиля составляли 0,002—0,015. Станции, тупики для оборота и отстоя поездов располагались на уклонах 0,002.
Еще до пуска в эксплуатацию линий первой очереди, в 1934 г., началась разработка проектов строительства Арбатского радиуса (от станции «Смоленская» до Киевского вокзала) протяженностью 1,7 км с одной станцией, Покровского радиуса (от «Станции имени Коминтерна»— ныне «Калининская» — до Курского вокзала) протяженностью 3,5 км с двумя станциями и Горьковского радиуса (от площади Свердлова до развилки Ленинградского проспекта с Волоколамским шоссе) протяженностью 9,6 км с шестью станциями. Входы на станции глубокого заложения проектировались, как правило, с доведением верха эскалатора до уровня тротуара и размещением наземных вестибюлей по красным линиям застройки. Исходя из этого, трасса на участках глубокого заложения прокладывалась по кратчайшему направлению не только под городскими проездами, но и под застроенными кварталами. Реку Москву на Арбатском радиусе трасса пересекает по метромосту.
В целях увеличения скорости движения и сокращения стоимости строительства расстояние между станциями на линиях второй очереди Московского метрополитена было намечено увеличить в среднем до 1,5 км. Вместе с тем в проектах плана и профиля трассы Горьковского радиуса была предусмотрена возможность сооружения дополнительных станций.
На участках глубокого заложения Покровского радиуса минимальные радиусы кривых приняты равными 400 м, длины переходных кривых увеличены примерно в 3 раза, элемент проектирования в профиле увеличен с 75 до 150 м, а радиусы сопрягающих кривых — с 1500 до 3 тыс. м. Это позволило повысить техническую скорость при большой плавности движения поездов. Расстояния между станциями составили в среднем 1,66 км (от 1 км до 2,33 км).
При строительстве линий второй очереди впервые было уложено бетонное подрельсовое основание и установлены раздельные скрепления, что значительно упростило содержание пути и тоннелей. Раздельные скрепления нового типа с небольшим количеством деталей обеспечивали быструю смену рельсов.
Строительство второй очереди Московского метрополитена было завершено в 1937—1939 гг. Протяженность его сети составила 26 км. В 1940 г. объем перевозок достиг 1020 тыс. пассажиров в сутки.
Запроектированная третья очередь Московского метрополитена включала продление Покровского радиуса (от станции «Курская» до района Измайлово) протяженностью 7,4 км с четырьмя станциями и Замоскворецкий радиус (от станции «Площадь Свердлова» до автозавода) протяженностью 6,5 км с тремя станциями. Конечные станции — «Измайловский парк» и «Завод имени Сталина» (ныне «Автозаводская») — были запроектированы мелкого заложения, с сооружением тоннелей для оборота составов.
Строительство третьей очереди завершилось в годы Великой Отечественной войны. В труднейших условиях метростроевцы довели протяженность сети Московского метрополитена, состоящей из трех диаметров, пересекающих центральную часть города, до 40 км. К этому времени объем перевозок превысил 1,7 млн. человек в сутки, что вызывало перегрузку пересадочных узлов в центре города.
Проект четвертой очереди Московского метрополитена предусматривал строительство кольцевой линии с прокладкой ее южной и восточной части вдоль Садового кольца, а северной и западной — через основные железнодорожные вокзалы. Кольцевая линия метрополитена обеспечила связь между всеми вокзалами Москвы, кроме Савеловского и Рижского, а также позволила производить пересадки, минуя центральные пересадочные узлы. Протяженность кольцевой линии — 19,4 км. На ней сооружено 12 станций. Линия имеет глубокое заложение. Она вводилась в эксплуатацию тремя этапами в 1950—1954 гг.
Как правило, линии пересекаются между собой под углом, близким к прямому. Соединение станционных залов под землей требует создания длинного пересадочного коридора (часто протяженностью более 100 м). Время, затрачиваемое пассажирами на пересадку, составляет около 3,5 мин.
Сокращение пути пересадки достигается рациональной планировкой пересадочного узла. Так, торец вновь сооружаемой станции, примыкающий к действующей станции, не должен быть занят наклонным ходом для входа. Пересечение осуществляется перегонными тоннелями, проходящими под станционными тоннелями или над ними. Возможность пересадки при таком решении обеспечивается путем незначительного удлинения среднего зала, установки малых эскалаторов от уровня платформы до переходных мостиков на действующей станции, устройства коротких ходов и лестницы высотой около 3 м. Затраты времени на пересадку в этом случае составляют 1,2—1,5 мин. Выходы на каждой станции сооружаются самостоятельными и располагаются в разных местах.
Такой тип пересадки применен на нескольких станциях кольцевой линии. Станция «Белорусская»-кольцевая впервые на Московском метрополитене сооружена под станцией «Белорусская»-радиальная. Такое решение позволило соединить центры станций при помощи переходов, лестничных спусков и трех эскалаторов. Время на пересадку сократилось до 1,5 мин.
Впервые для пересадки между станциями «Комсо-мольская»-радиальная и «Комсомольская»-кольцевая сооружен наклонный ход для размещения четырех эскалаторов. Стоимость этого наклонного хода была примерно в 2 раза больше стоимости наклонного хода диаметром 8,5 м, с тремя эскалаторами. Исходя из перспектив развития линии, было признано необходимым соорудить наклонный ход для четырех эскалаторов. В дальнейшем были разработаны конструкции эскалаторов меньших габаритов, что позволило уменьшить диаметр наклонного хода для четырех эскалаторов до 9,5 м и для трех эскалаторов — до 7,5 м.
Для поездов кольцевой линии не требуется оборотных устройств, так как составы движутся по замкнутому кольцу (внутреннему — по часовой стрелке и наружному — в обратном направлении). Вагонное депо было запроектировано с западной стороны кольца в районе Краснопресненской заставы. Оно соединено с линией двумя однопутными ветками, примыкающими к каждому из путей съездов у станций «Белорусская» и «Краснопресненская». Ветки со съездами позволяют без маневров заполнять и освобождать линию. Пути отстоя поездов были сооружены у станции «Курская» (для поездов наружного кольца) и «Парк культуры» (для поездов внутреннего кольца).
Значительный рост потоков пассажиров определил необходимость развития пересадочного узла станции «Киевская». Были сооружены пересадочные устройства между станциями глубокого заложения «Киевская»-кольцевая и «Киевская»-радиальная и вход на привокзальную площадь со станции «Киевская»-кольцевая.
Одновременно со строительством кольцевой линии велись работы по развитию пересадочных устройств узла станций «Проспект Маркса» — «Площадь Свердлова» — «Площадь Революции», а также «Библиотека имени Ленина» — «Калининская». Между станциями «Проспект Маркса» и «Площадь Свердлова» был сооружен подземный коридор, установлены четыре эскалатора и построены лестничные спуски. Пересадочный подземный коридор соединил станцию «Площадь Революции» с южным торцом станции «Площадь Свердлова». На станции «Площадь Революции» был сооружен второй вход из наземного вестибюля, расположенного в Куйбышевском проезде.
Несмотря на развитие пересадочных устройств, продолжающийся непрерывный рост пассажиропотоков в центральном пересадочном узле (с 800 тыс. человек в сутки в 1954 г. до 975 тыс. человек в сутки в 1968 г.) потребовал разработки дополнительного проекта, и в 1974 г. было завершено строительство еще двух подземных пересадочных коридоров, примыкающих к северному торцу станции «Площадь Свердлова» и к западному торцу станции «Площадь Революции», с устройством в них лестниц и эскалаторов. Благодаря этому все пересадочные потоки минуют вестибюли. На станции «Библиотека имени Ленина» в центре платформы были дополнительно сооружены лестницы, ведущие в подземный коридор для пересадки пассажиров, а также переходы под улицами с лестничными входами на станцию.
В период строительства кольцевой линии был сооружен Арбатский радиус глубокого заложения (от станции «Площадь Революции» до Киевского вокзала) протяженностью 4 км со.станциями «Арбатская», «Смоленская» и «Киевская», две из которых пересадочные.
Последующее сооружение линий метрополитена велось с учетом больших пассажиропотоков, ожидаемых в связи со строительством крупных жилых массивов на окраинах города. Удлинялись действующие диаметральные линии, от кольцевой линии в периферийные районы велись радиальные линии. Станции мелкого заложения на вновь строящихся линиях проектировали с двумя входами. Это не вызывало существенного удорожания, так как подземные вестибюли размещались в пределах ширины самой станции, но создавало значительные удобства для пассажиров. Переходы от подземных вестибюлей станций к тротуарам городского проезда проектировались так, чтобы их можно было также использовать для перехода улиц.
В 1970 г. были сооружены участок Калужского радиуса (от станции «Октябрьская» до станции «Площадь Ногина») протяженностью 3.9 км при глубоком заложении тоннелей со станциями «Новокузнецкая» и «Площадь Ногина» и участок Ждановского радиуса (от станции «Таганская» до станции «Площадь Ногина») протяженностью 2,3 км.
На совмещенной станции «Площадь Ногина» удалось еще более сократить время на пересадку. В пределах каждой из станций, расположенных параллельно одна другой, поезда движутся в одном направлении по разным линиям. Пассажир, который пересаживается на линию с совпадающим направлением движения поездов, должен только пересечь платформу, затратив на это 15—20 с. Пассажиру, пересаживающемуся на линию с несовпадающим направлением движения, необходимо подняться и спуститься по трем лестницам и пройти по короткому коридору, затратив около 1 мин.
Пересечение путей производится перегонными тоннелями перед станцией и за ней. Подобные проектные решения станций целесообразно применять, когда линии пересекаются между собой под острым углом. Станциями такого же типа являются «Каширская» и «Новокузнецкая» Калужско-Рижского и Калининско-Киевского диаметров.
В разработке проекта линии от станции «Киевская» до Кунцева использовался находящийся на консервации участок Арбатского радиуса мелкого заложения (от станции «Калининская» до станции «Киевская»). Учитывая возможность прокладки этой линии вне застроенной территории (вдоль полосы отвода Киевского направления и Окружной железной дороги, набережной Москвы-реки, зоны железнодорожной станции Фили), а также экономя средства на строительство, линию запроектировали наземной, с пересечением городских проездов и железнодорожных путей в разных уровнях. Ее протяженность — 14,9 км. Она была открыта для эксплуатации в 1964 г. Стоимость строительства наземной линии составила примерно треть стоимости строительства линии при мелком заложении тоннелей.
При проектировании трасс линий Московского метрополитена кроме подводных пересечений рек Москвы и Яузы и Обводного канала предусмотрены мостовые переходы: на Фрунзенском радиусе — в районе Ленинских гор с расположением в верхнем ярусе моста проезжей части Комсомольского проспекта; на Замоскворецком радиусе — в районе Кожухово — Нагатино с прокладкой на мосту, кроме линии метрополитена, проезжей части Пролетарского проспекта; на Кировском радиусе — через реку Яузу.
Для создания удобств при пересадке между станцией метрополитена «Ждановская» и одноименной железнодорожной платформой Рязанского направления конечный участок линии был выведен на поверхность и платформа железной дороги запроектирована совмещенной с платформой метрополитена. Чтобы снизить стоимость строительства, наземным сооружен и участок от пересечения линией метрополитена Окружной железной дороги до станции «Текстильщики».
С годами к проектированию линий предъявляются все более жесткие требования. Это объясняется повышением скоростей движения до 100 км/ч, увеличением минимальных радиусов кривых до 500 м, удлинением переходных кривых, увеличением радиусов сопрягающих кривых до 3000—5000 м. Расстояния между станциями более 2 км в центральной части города, на линиях Горьковского и Покровского радиусов, признаны неудовлетворительными с точки зрения обслуживания пассажиропотоков. Для улучшения условий перевозок в одном узле были сооружены станции «Горьковская» и «Пушкинская». Планируется строительство станции «Хмельницкая» — пересадочной между Арбатско-Покровской, Ждановско-Краснопресненской и Калужско-Рижской линиями — и станции «Большая Полянка» на Калужском радиусе. Ждановско-Краснопресненская линия протяженностью 36,5 км стала первой, достигшей границ города. Она пересекает столицу с запада на восток.
Протяженность действующих линий Московского метрополитена на 1 января 1983 г. составляет 193 км. На них расположено 115 станций. Подземные магистрали перевозят более 6 млн. пассажиров в сутки, что составляет 30% всех перевозок пассажиров городским транспортом. Пассажирооборот центрального пересадочного узла Московского метрополитена, включающего станции «Проспект Маркса», «Площадь Свердлова» и «Площадь Революции», достигает 1 млн. человек в сутки. По перевозкам пассажиров Московский метрополитен значительно превосходит все крупнейшие метрополитены мира (Нью-Йорк, Лондон, Париж), несмотря на большую длину их сетей.