Первая подземная дорога появилась в Лондоне. Ее открытие состоялось 10 января 1863 года. Длина линии достигала всего 6 километров, а объем перевозок за день составлял лишь 26000 человек. Пассажирский поезд вел локомотив, работающий на паре. От сжигания угольного топлива образовывалось много дыма и сажи. При прохождении тоннеля двери вагона должны были быть закрытыми, о чем напоминало объявление: «Проезд тоннелем в открытом вагоне смертельно опасен». Так было до 1906 года, когда участок подземки электрифицировали.
После лондонского опыта метростроительство получило развитие в других американских и европейских городах. В 1868 году была построена первая линия в Нью-Йорке, затем в Чикаго, Бостоне, в 1896 году появилось метро в Будапеште и Глазго. В Париже первая линия метро стала действовать в 1900 году.
Попытки создания метрополитена в Москве относятся к началу XX века. В 1902 году Московская городская дума в присутствии репортеров газет заслушала сообщение инженера Балинского о «Постройке внеуличной железной дороги в Москве», в котором автор проекта изложил преимущество нового вида транспорта — метрополитена и доходность мероприятия для вкладчиков средств в создание «внеуличной железной дороги». Решение думы было кратким: «Господину Балинскому в его домогательствах отказать». Так была похоронена инженерная идея, воплотиться в жизнь которой было суждено лишь при Советской власти.
Развитию отечественного метростроительства положил начало Московский метрополитен, первые линии которого вступили в строй в 1935 году. Первые линии Кировско-Фрунзенская от станции «Сокольники» до станции «ЦПКиО имени Горького» и «Арбатская» от «Охотного ряда» до «Смоленской» имели общую протяженность только 11,4 километра и 13 станций. Линии метрополитена строятся трех типов: глубокого, мелкого заложения и наземного, что соответствует способам их прокладки — закрытому (тоннельному) и открытому. Каждый способ прокладки линии имеет свою технологию.
Строительство метрополитена закрытым способом ведется на участках со сложной градостроительной ситуацией, когда на трассе будущей линии находятся плотная ценная застройка, крупные инженерные сооружения. На свободных территориях в периферийных осваиваемых зонах города линии метрополитена строятся чаще мелкого заложения или открытым способом. Примером последних могут служить Филевская линия в Москве и Дарницкая в Киеве.
Стоимость строительства метрополитена открытым способом значительно ниже, чем закрытым, что во многом объясняется различной технологией работ. При открытом способе котлованы для тоннелей роют непосредственно с поверхности земли. При закрытом — первоначально необходимо пройти вертикальную выработку грунта на глубину заложения будущего тоннеля, то есть соорудить шахтный ствол.
Для проходки стволов применяются специальные бурильные установки. Первые полностью автоматизированные шахтные бурильные установки стала выпускать японская фирма «Тоё когё» в 1970-е годы. Система автоматического управления таких установок позволяет проводить весь цикл обуривания забоя без участия человека по программе, подготовленной заранее и введенной в ее компьютер в виде перфоленты. Это напоминает операцию на станках с числовым программным управлением. Объем памяти компьютера достаточно велик, что позволяет вводить в нее программы с множеством данных. Переход от одного режима работы к другому осуществляется нажатием кнопки на пульте управления установки.
Для проходки тоннелей метрополитена используется чаще всего щитовой метод. Применение проходческого щита, представляющего собой горизонтальный стальной цилиндр, по контуру которого укреплены домкраты, позволяет избежать осадки расположенных на поверхности строений при выемке грунта из тоннеля. Внутри такого щита строится обделка тоннеля, то есть его покрытие, постоянная крепь. Она выполняется либо из сборных чугунных элементов (тюбингов), применяемых в водоносных грунтах, либо из железобетонных — для сухих грунтов. Элементы обделки имеют вид колец различного диаметра: для станций метро — 8,5 метра, для перегонных тоннелей между станциями — 5,5 метра.
Иногда обделку тоннелей устраивают из монолитного бетона, используя для этого специальные бетононасосы. Редкое в практике сооружение такой обделки объясняется необходимостью сушки в течение продолжительного времени до полного твердения бетона. Щитовые методы — экологически чистый способ возведения метро. Поэтому продолжается совершенствование применяемого для проходки оборудования — повышение надежности экскаваторных щитов, использование агрегатов роторного типа и оборудования со скользящей опалубкой, модульного щитового оборудования и средств автоматического управления.
Тоннельные сооружения, предназначенные для длительной эксплуатации, подвергаются воздействию грунтовых вод, способных вызвать коррозию металлических конструкций. Коррозия опасна еще тем, что вызывает в тоннелях при движении электропоездов блуждающие токи, усиливающие начавшийся процесс разрушения. Поэтому метростроители уделяют серьезное внимание совершенствованию технологии сооружения тоннелей и повышению гидроизоляционных качеств обделочных материалов — бетона и др. Устранению излишней влажности воздуха в тоннелях и на станциях служит также усиленная искусственная вентиляция.
При строительстве станций, наиболее сложных сооружений метрополитена, выполняется наибольший объем работ, требующий участия многих специалистов — от монтажников, электриков до архитекторов, дизайнеров. Особенно трудоемки отделочные работы, требующие не только мастерства строителей, но и использования разнообразных природных и искусственных материалов, в частности, улучшающих качество гидроизоляции, особенно на линиях, сооружаемых открытым способом.
Московским метростроителям впервые удалось применить полимерные материалы — потолок станции «Чеховская». На отечественных метрополитенах разработаны и внедряются современные машины и механизмы для выполнения ремонтных и профилактических работ по содержанию путевого хозяйства, электромеханических устройств, действуют поточные линии, диагностические комплексы для ремонта подвижного состава и др. Широко внедряется автоматизация производства: телемеханика для управления и контроля за эксплуатацией устройств электроснабжения, электромеханических установок и эскалаторов.
Современный метрополитен — сложный комплекс технических систем, работающих слаженно, четко и быстро. Днем поезда следуют через 3–5 минут. В час пик интервал в движении может сокращаться до минуты. У машиниста каждого состава есть график, в котором с точностью до секунды указано время прибытия на станцию и время отправления. График сверяют с интервальными и календарными часами. Интервальные часы показывают, не опаздывает ли предыдущий поезд, а календарные — вовремя ли следует данный состав.
Скорость движения поездов регулирует автоматическая система, которая контролирует и действия машиниста. Так, при подъезде к станции автоматически включается торможение. Машинист обязан нажатием кнопки его выключить и вести поезд вручную: вдоль перрона стоят люди, и в случае необходимости автоматика не среагирует. Если же не нажать кнопку, состав остановится.
Метро проветривают через вытяжные шахты. Поезд в туннеле действует как поршень, выталкивая воздух через шахту, находящуюся впереди, и засасывая его из той, которую уже миновал. Однако на некоторых участках с интенсивным движением из-за работы моторов и тормозов порой настолько поднимается температура воздуха, что приходится нагнетать либо откачивать воздух дополнительно. За микроклиматом на разных участках линии наблюдает специальная система. Данные поступают в центральную диспетчерскую, которая и дает команды на включение мощных воздушных насосов.
Эта диспетчерская — «мозговой центр» метро. Она связывается со службами подземного хозяйства: по радио — с машинистами и локомотивными бригадами, по селекторной связи — с дежурными по станциям. Компьютеры следят за тем, чтобы вся система работала слаженно, соблюдались интервалы в движении поездов и не возникало чрезвычайных ситуаций.
Если центральная диспетчерская — «мозг» метрополитена, то его «кровеносная система» — энергоснабжение. Для большей надежности электрический ток подают от двух независимых подстанций: если одна выйдет из строя, автоматически подключится другая. Кроме того, для аварийного освещения предусмотрены аккумуляторные батареи.
За годы, минувшие после пуска московского метро, сменилось четыре основных типа и несколько модификаций вагонов. Сейчас появилась новая модель — высокоскоростная, комфортабельная и ультрасовременная «Яуза». Эта модель мирового класса с великолепным современным дизайном готовится к выпуску Мытищинским машиностроительным заводом. «Яуза» — первый в истории российского метростроения вагон из модульных конструкций. Его разработка началась еще в конце 1980-х годов. Ведущие дизайнеры проекта — Ю.Г. Бусыгин, Н.И. Кузнецов, В.М. Обухов и Н.В. Усольцев.
О новом поезде рассказывает главный технолог ЗАО «Метровагонмаш» Сергей Викторович Безрукавный:
«В конструкции учтены все требования, предъявляемые к современному подвижному составу, особенно требования безопасности. Во-первых, кузов "Яузы" стальной — и пусть нас не соблазняют никакими алюминиевыми сплавами, это опасно! Конечно, они дают экономию веса, но при пожаре, особенно когда его не удается быстро потушить, от алюминия ничего не остается. Вы, конечно, знаете о прошлогоднем ЧП в туннеле под Ла-Маншем: загорелся скоростной поезд… Алюминиевые вагоны не то что "потекли" — сгорели!
Поскольку мы отказались от алюминия, сбавлять массу тары — кузова плюс тележек — пришлось другими способами. Мы изготовили кузов "Яузы" из высокопрочной нержавейки с применением прецизионной сварки — что позволило сэкономить около 1,2 тонны. Алюминий дал бы 3, но…
Теперь о других аспектах безопасности. Система управления полностью автоматизирована. В кабине машиниста установлен бортовой компьютер, в который заложены две программы: одна задает график движения, другая следит за точностью его соблюдения. Если на каком-то участке машинист превысил скорость, вторая программа дает команду на автоматическое торможение…
…В каждом вагоне размещены температурные и дымовые датчики — компьютер реагирует на их сигналы и приводит в действие автоматическую систему пожаротушения. Последнее осуществляется двумя способами: в аппаратном отсеке и везде, где нет людей, — газом специального состава, а в салоне особые колбы выбрызгивают в воздух водяное облако. И никаких огнетушителей!
…Еще одно новшество — бортовая система сигнализации. В старых вагонах на приборном щите есть группа лампочек технической диагностики: что-то не сработало — загорается соответствующая лампочка, и машинист знает, что случилось. В "Яузе" по-другому: имеется лишь одна лампочка, при любой неполадке ярко вспыхивающая красным светом — для машиниста этот сигнал означает, что надо глянуть на дисплей компьютера, а там уж все выведено открытым текстом — где, что и почему. Преимущества такой системы очевидны».
У кузова «Яузы» нетрадиционное сечение. Оно не прямоугольное — есть радиусная часть, позволившая более рационально вписать вагон в туннель круглого сечения и увеличить вместимость на 30 человек. Аэродинамические испытания показали снижение лобового сопротивления на 20 процентов.
Практическая скорость поезда — 48 километров в час. Сейчас, к примеру, она едва достигает 41. Ходовая часть вагона — с пневматической подвеской, подстраивающаяся к мгновенным значениям нагрузки.
Немаловажный фактор — экономия электроэнергии. В «Яузе» применили систему рекуперативного торможения — с высвобождением «лишней» энергии в генераторном режиме тяговых двигателей.
В кабине просторно, приборная доска выполнена эргономично, установлен кондиционер. Освещение в салоне «Яузы» более щедрое и в то же время более мягкое, нежели в старых вагонах. Применена система принудительной вентиляции.
Подземные и надземные вестибюли метрополитена обогатили архитектуру многих городов мира. Но московский метрополитен имеет уникальные по архитектурно-художественному облику станции. Не случайно взяты под охрану государства как памятники архитектуры три лучшие станции первых линий: «Красные ворота», «Маяковская», «Кропоткинская». Каждая станция московского метро имеет свой индивидуальный образ, а совокупность станций образовала неповторимый архитектурный ансамбль. В отделке колонн, пилонов, лестниц широко применены мрамор, гранит, металлы, керамика, стекло.
В Париже уделяется особое внимание архитектурной выразительности станций метрополитенов, экспресс-метрополитенов, синтезированию в оформлении наземной и подземной инфраструктуры. Входы в наземные и подземные сооружения обозначаются четкой маркировкой направления движения пассажиров. С целью привлечения пассажиров в парижском метро используются произведения искусства. Так, на станции «Лувр» была выставлена скульптура египетского фараона из запасников всемирно известного музея.
Японские архитекторы, проектируя пересадочную станцию «Умеда» в городе Осака, ввели внутрь здания с помощью специальных гидротехнических сооружений небольшую речку, которая создает на каждом этаже оригинальные водные поверхности и каскады, а световые эффекты и зеленые насаждения придают большую привлекательность интерьерам здания.