Научный фундамент отечественного метростроения

Ретроспективный взгляд на конструкции и сооружения первых линий Московского метрополитена позволяет убедиться, что они во многом не уступают современным. На первых линиях были отработаны едва ли не все методы и приемы строительства, получившие дальнейшее совершенствование и развитие в отечественной практике. Это стало возможным благодаря тому, что с самого начала метрополитен рассматривался как крупный научно-исследовательский объект, хотя на первых этапах его строительства не было не только специальных институтов, лабораторий, кадров ученых-метростроителей, но и опытных инженерно-технических работников.

Когда в конце 1931 г. приступили к сооружению первого в СССР опытного тоннеля Московского метрополитена закрытым способом, к делу привлекли специалистов но гражданскому строительству, инженеров-горнопроходчиков, не имевших опыта работ в условиях подземной проходки в большом городе. Руководитель Метропроекта профессор В. Л. Николаи писал, что в результате работ на первой очереди метрополитена из гражданских строителей, мостовиков, горняков сформировался новый тип специалиста — инженер-метростроитель.

Первым руководителем проектирования советского метрополитена был ученый, и это не случайно. Первый начальник Метростроя замечательный инженер-строитель П. П. Ротерт считал, что с самого начала проектирование и сооружение столичного метрополитена- следует вести на строго научной основе. П. П. Ротерт возглавлял такие крупные стройки, как Днепрогэс, строительство Дома промышленности в Харькове и др. Он хорошо понимал, что сооружение первоклассного метрополитена на высоком техническом уровне немыслимо без надежного научного фундамента. П. П. Ротерт сам был крупным ученым, ему одному из первых в нашей стране были присвоены степень доктора технических наук, звание профессора.


Для работы в Метрострое были приглашены крупнейшие инженеры-ученые, как, например, профессор С. Н. Розанов, принимавший участие в строительстве Парижского метрополитена. Все идеи и решения, воплощавшиеся в жизнь на первых участках московского метро, рождались в результате исследований, экспериментов,изобретательской деятельности, всестороннего анализа, продуманного инженерного риска. Все существенные вопросы решались с помощью научных сил.

Теоретические и экспериментальные исследования вели специалисты — строители, горняки, работавшие в техническом отделе Метростроя и Метропроекта и постепенно вырабатывавшие навыки новой инженерной профессии. Техническую помощь метростроевцам оказали зарубежные специалисты, в том числе В. М. Разнощик, участвовавший в разработке исходных положений метода «кольцо в упругой среде», Г. В. Морган, П. Ф. Вайнер, Ф. Барретт, содействовавшие проектированию и освоению некоторых технологических процессов. За ценную помощь на первых этапах строительства Московского метрополитена инженеры Г. В. Морган и Ф. Барретт были удостоены высоких советских правительственных наград.

Для консультаций привлекали крупнейших ученых — специалистов по механике грунтов, строительным конструкциям, стройматериалам, расчету сооружений и т.д., работавших в высших учебных заведениях и научно-исследовательских организациях. Творческое сотрудничество специалистов позволило создать в 1932 г. Комитет научного содействия Метрострою, который возглавляли такие ученые, как академик Г. М. Кржижановский и первый в нашей стране специалист по железобетону профессор А. Ф. Лолейт. После окончания Великой Отечественной войны аналогичный комитет функционировал и на Ленметрострое. В него входили профессора Д. Д. Би-зюкин, Б. Д. Васильев, А. Н. Пассек, Н. А. Цитович и Другие.

Для обсуждения вариантов проекта линий первой очереди Московского метрополитена были созданы советская, германская, французская и английская экспертные комиссии, работа которых в совокупности стала многогранным научным исследованием.


Советские инженеры и ученые, критически анализируя зарубежный опыт, разрабатывали новые, соответствующие имевшимся условиям и высоким требованиям технические решения с проверкой их теоретическим и экспериментальным путем. Сразу же пришлось столкнуться с проблемой внешних нагрузок и расчета обделки в конкретных инженерно-геологических условиях Москвы.

Известные в то время теории горного давления относились к горным тоннелям или к горнорудным подземным выработкам глубокого заложения. Лишь некоторые из них применялись в метростроении, как, например, теории Сюке и Коммереля, использованные в Париже для расчета монолитных бетонных и бутобетоиных обделок. Профессор С. Н. Розанов критически пересмотрел эти теории и создал новую расчетную схему, использованную им при проектировании бутобетонной обделки первого опытного тоннеля в Москве. В отличие от ранее применявшихся методов расчета тоннельных сооружений как свободных конструкций, подверженных воздействию только внешней нагрузки от грунта, без учета его влияния как окружающей среды, С. Н. Розанов ввел учет дополнительных сил трения по подошве стен обделки и влияния пассивного бокового отпора грунта. Это позволило значительно облегчить обделку.

Рассматривая этапы совершенствования тоннельных конструкций в отечественном метростроении, можно видеть их прямую зависимость от постоянно углубляющихся теоретических исследований. Сначала тоннели рассчитывали как обычные сооружения, подверженные только воздействию внешней нагрузки, без учета взаимодействия с окружающим грунтом. Эти расчеты приводили к созданию довольно громоздких конструкций, пригодных, скорее, для работы в наземных условиях. Даже при использовании впервые на перегоне между площадью Дзержинского и площадью Свердлова щитовой проходки тяжелые железобетонные блоки соединяли в единую тоннельную трубу специальными стальными тяжами. Опыт показал, что установка тяжей была не везде выполнима. Там же, где они отсутствовали, обделка не обрушивалась. Это объяснялось тем, что окружающий грунт взаимодействовал с деформирующимся кольцом, помогая обделке сохранять устойчивость.


Комиссия по рассмотрению технического проекта второй очереди Московского метрополитена указала на настоятельную необходимость разработки нового метода расчета тоннельных обделок с учетом упругого отпора грунта для создания экономичных конструкций индустриального изготовления. Исходя из этого требования, в отделе типового проектирования Метропроекта усилиями главным образом Б. Ф. Матэри, Б. П. Бодрова, С. Г. Пояркова, Л. И. Горелика был разработан оригинальный метод расчета «кольцо в упругой среде». Этот метод, применимый к профилям такой сложной конструкции, как станционные тоннели (например, станция «Маяковская»), позволил создать замечательные по конструкции и экономичности сооружения отечественных метрополитенов.

Отдел типового проектирования Метропроекта в период сооружения линий первой й второй очередей проделал огромную работу научно-исследовательского характера, отраженную в ряде теоретических публикаций, в частности посвященных разработке проблемы «кольцо в упругой среде» методами строительной механики, тригонометрических рядов и дифференциальных уравнений, расчету внутренних гидроизоляционных оболочек кругового и коробового очертаний. Были выпущены сборники «Горное давление на тоннельные сооружения», «Расчет сводов тоннельных обделок с учетом влияния деформации опор» и др. Создание сборников велось с участием и при консультациях таких крупнейших ученых, как М. М. Филоненко-Бородич, И. П. Прокофьев, Н. Н. Давиденков, В. М. Келдыш, П. Л. Пастернак, Б. Н. Жемочкин и другие.

При проектировании и строительстве линий первой очереди Московского метрополитена, наряду с теоретическими, было выполнено много научно-экспериментальных исследований. Они концентрировались в созданном в 1933 г. научно-исследовательском секторе (НИС) Метростроя, который также привлекал к разработке проблемных вопросов ученых. Некоторые исследования проводились непосредственно в производственных условиях, другие (испытания бетонных образцов, гидроизоляционных материалов и т. п.) — на лабораторных установках.


Для обоснования методов расчета тоннельных обделок и уточнения реальных величин действующих на них нагрузок Ленинградский институт сооружений в 1933 г. провел натурные измерения горного давления в шахтах Метростроя так называемым струнно-акустическим методом профессора Н. Н. Давиденкова. Этот метод основан на явлении резонанса при изменении тона звучания струны, натянутой на напряженном, а затем искусственно ослабленном волокне крепи. Впоследствии Н. Н. Давиденков разработал специальные акустические мессдозы, позволяющие непосредственно измерять давление грунта за обделкой без разгрузки крепи. Н. Н. Давиденков и его сотрудники часто бывали на шахтах Метростроя, и проходчики в шутку прозвали их музыкантами.

Серьезные теоретические и экспериментальные работы по определению нагрузки и расчету тоннельных конструкций выполнили С. С. Давыдов, Г. Г. Зурабов, О. Е. Бугаева, Г. И. Покровский, Я. Г. Галкин, К. А. Вахуркин, Б. Н. Виноградов, С. А. Орлов, К. В. Руппенейт.

Натурные исследования по отработке новых технологических методов и приемов сооружения тоннелей метрополитена были начаты еще в 1932 г. в опытном тоннеле на Русаковской улице в Москве и продолжались последовательно на каждом новом объекте, охватывая основные способы сооружения тоннелей — с монолитной обделкой открытым и закрытым способами, с временной деревянной крепью, при постепенном раскрытии профиля по частям; проходкой щитовым способом на полное сечение, со сборной чугунной и железобетонной обделкой, при комплексной механизации тоннельных работ; с массовым внедрением индустриальных конструкций. Все эти ступени технического прогресса в отечественном метростроении неразрывно связаны с научными разработками.

Практика научной и производственной деятельности выявила острую необходимость в подготовке и повышении квалификации кадров инженеров-метростроителей. До Великой Октябрьской социалистической революции в отечественных высших учебных заведениях такая дисциплина, как тоннелестроение, отсутствовала — в дореволюционное время сооружение тоннелей велось по подрядам зарубежными фирмами, а русские инженеры-строители осуществляли лишь технический надзор за производством работ. В 1918 г. были введены факультативные курсы лекций по тоннелям и частично метрополитенам в МИИТе (профессор В. К. Дмоховский), в 1919 г.— в Ленинградском политехническом институте (профессор С. Н. Розанов) и в 1924 г.— в МВТУ.


В 1933 г. по инициативе Метростроя в МИИТе организовали факультет и кафедру метростроения. Первым заведующим кафедрой был назначен профессор С. Н. Розанов, после смерти которого эту должность занял профессор В. Л. Николаи, заложивший основы методики высшего образования инженеров-тоннелестроителей в СССР. Он привлек к преподаванию опытных специалистов Метростроя В. Л. Маковского, В. П. Волкова, А. И. Барышникова, Г. В. Арбузова и других. В 1934 г. при кафедре метростроения МИИТа были организованы курсы повышения квалификации производственников и проектировщиков Метростроя.

Вскоре кафедры по подземному строительству были созданы в ЛИИЖТе (профессор Ю. А. Лиманов), ТБИИЖТе (профессор М. И. Дандуров) и в других высших учебных заведениях. Они стали пополнять кадры тоннелестроителей. Сотрудниками кафедр втузов написано много учебников и учебных пособий, выполнено большое число исследований, значительно способствовавших прогрессу метростроения не только в СССР, но и за рубежом.

В 1950 г. в составе ЦНИИС было организовано отделение тоннелей и метрополитенов. ЦНИИС является ведущим институтом по метростроению. Его специалистами созданы уникальные стендовые установки, обеспечивающие проведение исследований на высоком научном уровне. Научные работники, занимающиеся проблемами метростроения, тесно связаны с производством. Многие, получив ученую степень, продолжают работать на стройках, другие пришли в науку непосредственно с производства.

С самых первых шагов отечественного метростроения все проблемные и текущие вопросы техники и технологии строительства решались учеными в тесном контакте с инженерно-техническими работниками непосредственно в производственных условиях. Свой рабочий день П. П. Ротерт, как впоследствии и другие руководители Метростроя, начинал с посещения шахт. Очень часто в тоннелях метро можно было видеть академиков А. А. Скочинского, А. М. Терпигорева, JI. Д. Шевякова. Член-корреспондент Академии наук СССР Г. И. Маньковский отрабатывал на Мосметрострое метод бурения шахтных стволов, профессор А. Н. Пассек изучал проявления интенсивного горного давления на станции «Дзержинская». На Ленметрострое профессор Ю. А. Лиманов исследовал в натуре особенности осадок грунта при проходке тоннелей. О тесном контакте тоннельной науки и производства свидетельствует и тот факт, что при научно-техническом совете Министерства транспортного строительства СССР активно функционирует секция строительства тоннелей и метрополитенов.

В 1956 г. была создана Академия строительства и архитектуры СССР, в которую вошли выдающиеся ученые и производственники, внесшие вклад в разработку важнейших вопросов метростроения. Действительными членами академии стали А. И. Барышников, С. С. Давыдов, В. М. Келдыш, Б. Г. Скрамтаев, Н. С. Стрелецкий, членами-корреспондентами — Н. А. Губанков, М. И. Дандуров, К- А. Кузнецов и другие. Участием таких специалистов в работе академии подчеркивалась значимость метростроения как сложной инженерной отрасли, развитие которой невозможно без масштабной науки. В состав комиссий по приемке всех новых линий метрополитенов обязательно входят крупные ученые. За участие в разработке новых конструкций, технологических процессов, повышающих эффективность и технико-экономические показатели тоннельного строительства, многие научные работники удостоены звания лауреата Государственной премии СССР.

Советскими учеными выпущено немало книг, диссертаций, сборников научных трудов, статей, рекомендаций, нормативных документов, содержащих ценнейшие данные исследовательских работ в области метростроения. Научные вопросы метростроения постоянно находят отражение в изданиях института ВПТИтрансстрой, на страницах журнала «Транспортное строительство». С 1932 г. выходит журнал «Метрострой», являющийся единственным в мире научно-информационным сборником, специально посвященным метростроению. Большую работу по систематизации мирового опыта метростроения проводит отдел транспорта Всесоюзного института научной и технической информации Госкомитета Совета Министров СССР по науке и технике и Академии наук СССР, издающий специализированные выпуски экспресс-информации, реферативный журнал, сборники «Итоги науки и техники».

Благодаря внедрению на строительстве метрополитенов самых совершенных конструкций и технологии производства работ в нашей стране значительно возрос технический уровень сооружения горных транспортных и гидротехнических, коммунальных и других тоннелей. Многие проблемы мирового тоннелестроения решаются при использовании научно-технических достижений этой отрасли в Советском Союзе.