Как устроено метро? По каким принципам оно строится? Каким бывает? В представленных материалах попытаемся ответить на эти вопросы и изложить основные сведения о метрополитенах как о системе внеуличного пассажирского транспорта.
Введение
Развитие городов предполагает и развитие их «кровеносной системы» (жутковато представлять себя «кроветворным тельцем», но так оно и есть) — внутригородской транспортной системы. Рост пассажирооборота, увеличение дальности передвижений, необходимость сокращения времени на поездки требует увеличения скорости сообщения с одновременным повышением надежности, безопасности и комфортности пассажирских перевозок. В условиях современного крупного города этим требованиям в полной мере отвечает только метрополитен — городская внеуличная железная дорога.
В России (Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Новосибирске, Самаре, Екатеринбурге, Казани) метрополитены действуют и развиваются. Наверняка, многие удивяться, что кроме Москвы еще где-то есть метро. Оно и за рубежом есть! А еще строятся и планируют строить в Красноярске, Омске, Перми (учился там — славный город), Ростове, Уфе, Челябинске.
Общие сведения о метрополитенах
Метрополитен является наиболее совершенным и комфортабельным видом массового пассажирского транспорта. Трудно не согласиться.
Как наиболее эффективный и удобный вид городского транспорта, обеспечивающий скоростные регулярные (интервалы движения от 1,5 до 5 мин, если никто на рельсы не свалился, пассажиры не держали двери вагона, чтобы дама или друг успели заскочить, и машинист не уснул) массовые перевозки пассажиров с гарантированным временем поездки, метрополитен имеет непревзойденное социальное значение. А если совсем серьезно, то метрополитен — большой и сложный комплекс, оснащенный современной автоматизированной техникой, призванный обеспечить непрерывность пассажирских перевозок по четкому графику. И все всегда успеют вовремя.
Типы метрополитенов
Все в этом мире разное. И метро — тоже. В зависимости от планировки и застройки территории города, инженерно-геологических условий линии метрополитенов различают на подземные, наземные и надземные.
Подземные линии (рис. 1) подразделяются на мелкого и глубокого заложения. Все зависит от того, насколько глубоко «копали». Линии мелкого заложения располагают возможно ближе к поверхности земли (обычно в пределах 5—15 м от поверхности).
Тоннели мелкого заложения имеют недостатки: необходимость при трассировании линий следовать по направлению улиц; необходимость перекладки подземных сетей и коммуникаций; необходимость укрепления близлежащих фундаментов зданий.
Преимущества линий глубокого заложения — возможность трассирования по кратчайшему направлению. Недостатки линий глубокого заложения — необходимость устройства механического подъема и спуска пассажиров (эскалаторы, лифты); увеличение затрат времени пассажиров на передвижение; необходимость в более сложной системе вентиляции (под землей дышать труднее).
Наземные линии (когда метро превращается в «электричку») проходят по поверхности в основном в окраинных районах городов при удлинении существующих линий, а также за пределами города в качестве «вылетных линий» (рис. 2). Есть случаи, когда наземные участки метрополитена встречаются и в пределах города, что вызывается топографическими или местными условиями. В таких случаях наземные линии изолируют от уличных магистралей ограждающими устройствами.
Участки надземных линий (это когда даже не под землей, а над ней) располагаются на эстакадах обычно для разгрузки центральных районов города и сравнительно редко на окраинах. Для обеспечения проезда наземного городского транспорта (автобусов, в том числе — двухъярусных, трамваев, троллейбусов) под эстакадами обеспечивается необходимая свободная высота (4,25 — 6,0 м) и увеличивается их пролет.
Надземные линии имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение:
расположение эстакад на территории городов препятствует движению и снижает пропускную способность улиц;
сооружение эстакад, как правило, нарушает существующие архитектурные ансамбли города;
непрерывный шум в течение суток, создаваемый проходящими поездами.
Надземные линии метрополитенов (рис. 3) строятся в основном при пересечении водотоков (рек, озер, каналов и прочих водных препятствий), в сложных топографических условиях, на выходах в депо, окраинных и малозастроенных районах городов (метромосты).
Используется и «легкое» метро (рис. 4). В Москве такое в Останкино (очень медленное, но позволяет обозревать окружающий ландшафт). Строили к Олимпиаде-80, тогда это было просто фантастикой. «Легкое» метро, по сравнению с обычным, существенно дешевле, т.к. линия проходит в основном на поверхности и над землей по мостам и эстакадам. Вверх поднять легче, чем строить подземный город.
Трасса и габариты метрополитена
При проектировании линий глубокого заложения они располагаются между станциями по кратчайшему расстоянию, и фактор городской застройки не имеет особого значения.
Над перегонными тоннелями на участках пересечения магистральных улиц и дорог глубина заложения составляет обычно не менее 3 м, в остальных местах допускают уменьшение этой величины при обеспечении защиты тоннелей от промерзания и возможности устройства над ними дорожного покрытия. Перегонные тоннели — это там, где между станций за окном метро мелькают тусклые фонарики и серая бетонная стена. Иногда, правда, появляются «станции-призраки». Но это удел «метроэльфов» — они лучше знают, что там мелькает.
Внутренние размеры тоннельных сооружений устанавливают для колеи 1520 мм габаритами, которые предусматривают использование на линиях подвижного состава (вагонов), имеющего размеры 3,7 м (высота от головки рельса) на 2,7 м (ширина) и 19,2 м (длина вагона); применение верхнего строения пути на шпалах длиной 2,65 м и контактного рельса с нижним токосъемом; размещение оборудования и проход в тоннеле обслуживающего персонала. При движении поезда по прямой ни одна часть вагона не должна выходить за очертание габарита подвижного состава.
В ряде стран метрополитены строятся и эксплуатируются с меньшими габаритами подвижного состава.
Верхнее строение пути
Элементами верхнего строения пути являются рельсы, подрельсовое основание, бетонный или балластный слой, промежуточные скрепления, стыки рельсов и др. Конструкция верхнего строения пути обеспечивают бесперебойность и безопасность движения поездов, стабильность пути, технологичность обслуживания, возможность подключения устройств электроснабжения, электрическую изоляцию рельсов.
Основанием для верхнего строения пути (рис. 5) в тоннелях является плоский лоток из бетона или железобетона, на открытых наземных участках и в электродепо — земляное полотно, а также конструкции мостов, в том числе эстакад и путепроводов.
Ширина колеи между внутренними гранями головок рельсов на прямых участках пути и на кривых участках радиусами 600 м и более принимается равной 1520 мм.
Типичная ширина колеи при радиусе в 3 м — 1524 мм. Данные разнятся в зависимости от конструктивных особенностей.
В качестве подрельсового основания (то, что под рельсами) применяются деревянные или железобетонные шпалы и деревянные шпалы-коротыши длиной 0,9 м на главных путях и длиной 0,75 м на станционных путях. Главные пути — это когда долго едем. Станционные — когда на станции. Деревянные шпалы и шпалы-коротыши пропитаны маслянистыми антисептиками, не проводящими электрический ток.
Поперечный профиль поверхности путевого бетонного слоя обеспечивает отвод воды от рельсов. Опасное дело — вода плюс электричество.
Конструкция пути на бетонном основании с деревянными шпалами обеспечивает необходимую упругость пути и обладает высоким электрическим сопротивлением, что имеет большое значение при наличии контактного рельса, находящегося под высоким напряжением во влажной среде.
При размещении в перегонных и станционных тоннелях рельсового пути на бетонном основании по оси пути устраивают водоотводную канаву шириной 0,9 м и глубиной (от уровня головки рельса) 0,5 — 0,6 м. В этом случае уклон водоотводной канавы равен уклону пути. Когда станция располагается на горизонтальной площадке, минимальный продольный уклон (3%) обеспечивается путем устройства канавы переменной глубины. Имеется ввиду, что нет ничего абсолютно горизонтального. Вода имеет свойство течь под уклон.
Конструкции промежуточных рельсовых скреплений обеспечивают возможность быстрой смены рельсов, регулировку их положения по высоте и электрическую изоляцию от путевого бетонного слоя, нижнего строения пути и тоннельной обделки. Обделка — это конструкция, которая не позволяет всей толще земли сверху свалиться внутрь.
Для электроизоляции рельсовых нитей на путях используются клееболтовые стыки, а также стыки с накладками из древесины. Без изоляции с током никак.
Электроэнергия для обеспечения движения поездов поступает по контактному (третьему) рельсу, который подвешивается с левой стороны пути по ходу движения поездов на специальных кронштейнах (рис. 6).
На всем протяжении контактный рельс закрыт электроизоляционным защитным коробом. Это не означает, что, свалившись с платформы, зазевавшийся пассажир должен на него запрыгнуть и лезть обратно (это — первое желание). Защитный короб хрупкий и если встать, то запросто сломается. А сломается — 850 вольт под ногами.
На стрелочных переводах, перекрестных съездах, в местах проходов служебного персонала устраиваются разрывы контактного рельса (воздушные промежутки), величина которых определяется из условия безостановочного прохода подвижного состава.
Подвижный состав
Подвижный состав — то, что двигается в метро по рельсам. А то, что движется, называется метропоездом (подвижным электросоставом). Обычно количество вагонов в метропоездах устанавливается в зависимости от их вместимости, максимального значения пассажиропотока в определенное время и интенсивности движения на линии.
В зависимости от интенсивности пассажиропотока в течение суток возможно изменение количества вагонов в составе поезда. Это логично. Составы метропоездов, как правило, разделяют на отдельные секции, имеющие постоянные тяговые свойства (головной вагон во многих метрополитенах). Секции состоят из определенного числа моторных (те, что тянут весь состав) и прицепных вагонов или из одних моторных вагонов. Цепи управления вагонов в составе связаны междувагонными электрическими соединениями, благодаря чему составы поездов из нескольких секций управляются из головной кабины по системе, гарантирующей синхронную работу моторов всех соединенных секций.
В связи с тем, что на линиях преобладают конечные станции тупикового типа, вагоны применяются с двусторонним расположением дверей и расположением кабины управления в каждом конце секций, что позволяет осуществлять оперативное маневрирование подвижным составом. Состав на конечной станции не уезжает в «никуда», а просто меняет направление движения. Заехал, перешел из «первой» кабины состава в «последнюю» и поехал назад. То есть — уже вперед, но по другому пути (на некоторых линиях — по нему же). Двусторонние двери — для того, чтобы вне зависимости от расположения платформы дружелюбно открыть вам двери. Кто уснул, может выпасть, если прислонился. Хотя на дверях вагонов на двух языках написано — «не прислоняться!».
В большинстве метрополитенов вагоны являются четырехосными. Однако за рубежом на отдельных линиях метрополитена эксплуатируются секции, состоящие из сочлененных кузовов, что увеличивает проходимость составов. Что бы кто ни говорил о суперсовременных вагонах, а самым распространенным в России и СНГ является «ЕЖ» (рис. 7).
Сравнивая подвижной состав метрополитенов различных стран, в соответствии с размерами (габаритами) подвижного состава, можно выделить:
вагоны с железнодорожным габаритом (некоторые линии метро в Нью-Йорке, Лондоне, Париже), которые применяются на выносных линиях, связанных с пригородными участками электрифицированных железных дорог (в принципе — полноценные железнодорожные вагоны, смотри в сравнении рис.8);
вагоны с уменьшенным, чем на железных дорогах, габаритом (в России);
вагоны с габаритом, приспособленным к условиям вписывания в тоннели кругового очертания со скошенными стенками (некоторые линии Лондонского метро (рис. 9)).
В целом размеры и планировку вагонов метрополитена устанавливают из требований условий эксплуатации.
Вагонные депо
Для отстоя подвижного состава и выполнения межпоездного технического осмотра, ремонта предусматриваются вагонные депо (рис. 10). После трудового дня состав должен «принять душ», привести себя в порядок, чтобы завтра снова «выйти на работу». Вагонное депо (электродепо), как правило, размещаются на каждой линии. Сколько цветов на схеме — столько и линий. При протяженности линии более 20 км предусматривается второе электродепо, а при длине линии свыше 40 км — третье.
Оснащение электродепо соответствует технологическим процессам обслуживания и ремонта подвижного состава с применением средств диагностики, включающих средства вычислительной техники, механизации и автоматизации технологических процессов, а также агрегатно-поточный метод ремонта отдельных узлов.
Депо — это дом для метросоставов. Территория электродепо имеет размеры, необходимые для размещения комплекса основных и вспомогательных зданий и сооружений, внутриплощадочных инженерных сетей, транспортных проездов и парковых путей с учетом перспективы развития (рис. 11).
В депо предусматривается размещение инвентарного парка вагонов эксплуатируемых линий за вычетом количества вагонов, оставляемых на ночную стоянку в оборотных и отстойных тупиках линий, на одном из главных путей конечных станций и находящихся в ремонте вне депо.
Пути в депо подразделяются на тупиковые, маневровые, предохранительные и обкаточные. Длина тупиковых путей равна длине эксплуатируемого состава с учетом перспективы. Сооружения депо состоят из ряда отдельных корпусов в соответствии с их назначением (отстойно-ремонтный корпус, компрессорная станция, мотовозный цех, пункт аварийно-восстановительных средств, пожарное депо и т.д.). Отдельные пути (стойла) в депо рассчитываются на установку не более двух составов с максимальным количеством вагонов для линии. В депо предусматриваются камеры для мойки и сушки вагонов, а также для обдувки и отсоса пыли. За вагонами необходим уход.
Канавы в депо оборудованы сетью трубопроводов сжатого воздуха с установкой в них через каждые 20 м воздухоразборных кранов, а также имеют электросеть 380/220 В для подключения сварочных агрегатов и электроинструмента.
Здания электродепо радиофицированы, оборудованы устройствами вентиляции, сетями водоснабжения, водоотвода и канализации, отопления и теплоснабжения, оснащены устройствами пожарной и охранной сигнализации.
Характеристики работы метрополитена
Пассажирооборот в пределах станции рассредоточивается по отдельным направлениям движения, формируя пассажиропотоки. Пассажирооборот формируется в пассажиропотоки. В зависимости от объемно-планировочного решения станционного комплекса этих направлений может быть несколько: на вход на станцию и выход в город с одного торца платформы, вход и выход с противоположного торца, переходы на пересадку и т. п.
Расчетная величина пассажирооборота на станции определяется по его среднесуточному часовому значению. Принято, что работу пассажирского транспорта больших городов можно считать удовлетворительной, если на поездку с периферии в центр города пассажир затрачивает не более 35—40 мин.
Линии, связывая отдельные пункты, образуют единую сеть внеуличного транспорта. В крупных городах наиболее интенсивное движение пассажиров возникает по диаметральным или диагональным направлениям, проходящим через центр. Логично. Они связывают по кратчайшему расстоянию районы города между собой, а также с центром. Линии метрополитена практически всегда проектируют подземными. Практически, но необязательно. В отдельных случаях, например, при пересечении рек, на незаселенных территориях или вдоль линий железных дорог допускаются наземные или надземные участки.
В центральной части города в условиях плотной застройки при наличии архитектурных, исторических памятников и разного рода охранных зон, при необходимости пересечения значительных по глубине и ширине водотоков, как правило, линии проектируют на глубоком заложении.
При развитии линий из центра в периферию их проектируют на мелком заложении. Предпочтение мелкому заложению отдают и при проектировании вновь строящихся метрополитенов в городах, рельефные и строительные особенности которых не отмечены перечисленными выше ограничениями. Так проще.
Линии мелкого заложения имеют определенные преимущества по сравнению с линиями глубокого заложения. Они более удобны для пассажиров, чем линии глубокого заложения. Незначительная глубина заложения станции на такой линии и наличие, как правило, двух входов экономят время перехода пассажира от входа до посадочной платформы. Два входа на станцию способствуют более равномерному заполнению вагонов, ускоряют выход пассажиров с платформы на поверхность. Поскольку сокращается время, затрачиваемое на подходы к платформе, метрополитеном пользуются и те, кто следует на короткое расстояние (1—2 перегона).
О линиях. Их выбирают на стадии строительства. И не просто так. Линии трассируют вдоль магистралей общегородского значения, а станции размещают на перекрестках с пересекающими их магистралями. Размещение станций на перекрестках облегчает и упрощает организацию движения и наземного общественного транспорта.
При разработке генеральной схемы линий устанавливают определенные эксплуатационные принципы работы всех линий в их взаимосвязи. В соответствии с эксплуатационными особенностями различают три возможных варианта схем:
с отдельными, не связанными между собой и пересекающимися в разных уровнях, линиями, по которым осуществляется челночное движение поездов;
с взаимно увязанными между собой линиями, по которым осуществляется маршрутное движение поездов с переходом с одной линии на другую;
с разветвлением на конечных участках не связанных между собой линий для организации на этих участках маршрутного движения поездов.
При независимой друг от друга работе линий с челночным движением поездов пассажиру предоставляется возможность попасть из любой станции одной линии на любую станцию другой с одной пересадкой, хотя и с некоторым излишним проездом. Для передачи порожних подвижных составов с одной линии на другую между ними устраиваются соединительные ветки служебного назначения. Для того, чтобы обеспечить пересечение отдельных линий в разных уровнях, при разработке перегонных тоннелей и станционных комплексов первых очередей строительства (копать начали) предусматривают возможность их пересечения линиями метрополитена последующих очередей.
Вторая эксплуатационная схема работы линий с маршрутным движением поездов позволяет уменьшить число пересадок даже на плотной и протяженной сети метрополитена. Однако при такой схеме возникает необходимость сооружения весьма сложных узлов пересечения линий в одном уровне.
По третьей эксплуатационной схеме с маршрутным движением поездов на концевых участках работают некоторые линии Москвы, Самары, Баку и Еревана.
При проектировании линий устанавливается рациональная длина перегона и расположение станции на плане города. Станции располагают на генеральной схеме линий метрополитена с учетом существующей и перспективной планировки города и его наземной транспортной системы в пассажирообразующих местах. К таким местам относятся площади, пересечения уличных магистралей, железнодорожные, речные и автовокзалы, стадионы, парки, промышленные комплексы и т. п. Станции располагают также на пересечениях или в местах касания линий между собой и с железными дорогами.
Расстояние между станциями назначают, исходя в основном из двух требований: высокой скорости сообщения и минимальных затрат времени на подходы к станции.
Высокая скорость сообщения достигается увеличением длины перегонов. Как это ни странно звучит. Затраты времени на подходы к станции определяются так называемой «оптимальной зоной пешеходной доступности». Для скоростного транспорта эта зона составляет порядка 600 м, которые пешеход преодолевает за 8–10 мин (это очень условно).
Соблюдение этих двух требований обуславливает длину перегонов в пределах 1000 — 2000 м. В центре города длина перегона уменьшается до 700 — 800 м и возрастает в периферийных районах. Ограничение длины перегона до 2000 м связано также с обеспечением безопасности пассажиров в экстремальных условиях по пожарной безопасности. При расстоянии между станциями более 3-х километров устраивают аварийный выход из тоннелей на поверхность.
Диспетчерское управление движением поездов, а также установками и устройствами на линиях ведётся централизованно. С этой целью планируют инженерный корпус, где размещается (как правило) также аппарат управления и различные службы.
История развития метрополитенов
Поговорим об истории. Она небольшая, но достаточно занимательная.
Первый в мире метрополитен был построен в 1863 г. в Лондоне компанией «Метрополитен» по проекту Пирсона. Длина первой линии метрополитена составляла 3,6 км и соединяла ряд вокзалов Лондона. Движение поездов осуществлялось паровозами (рис. 12). Уже в первый год было перевезено около 10 млн. пассажиров, а в 1884 г. длина метрополитена составляла 21 км с 27 станциями, из которых 10 были привокзальными. Первая в мире электрифицированная линия метро длиной 5 км была сооружена в декабре 1890 г и соединяла район Сити с Южно-Лондонской железной дорогой. К 1905 г. все линии лондонского метрополитена были переведены на электротягу. Лондонское метро имеет сложную систему линий (рис. 13) и англичане называют его «трубой».
Второй метрополитен мира был сооружен в 1868 г. в Нью-Йорке и представлял собой наземную железную дорогу, расположенную в основном на эстакадах с использованием канатной тяги. В 1871 г. движение стало осуществляться на паровой тяге, а с 1890 г. — на электрической. В Нью-Йорке в районе Бродвея был построен опытный участок длиной около 100 м, где вагоны двигались при помощи сжатого воздуха (рис. 14). Однако в результате неудач вид тяги не получил развития.
В 1904 г. в Нью-Йорке построена и пущена первая линия метро в подземном варианте (рис. 15).
Схема линий Нью-йоркского метрополитена в современном варианте показана на рис. 16.
В Европе первый метрополитен был построен в Будапеште (рис. 17). Первая линия метрополитена составляла 4,7 км.
В связи с проведением в 1900 г. Всемирной выставки в Париже (рис. 18) была открыта первая линия метрополитена протяженностью 13,4 км с 22 станциями, которая строилась с 1898 г. К 1905 году длина линий метрополитена Парижа составляла около 30 км, включая подземные, наземные и надземные участки.
Строительство метрополитенов в разных странах развивалось достаточно интенсивно. Если в начале XX века в Англии, Австро-Венгрии, США и Франции действовали 6 метрополитенов, то уже в середине века 25 метрополитенов функционировали в 15 странах.
Техническая скорость на зарубежных метрополитенах сравнительно невысока. В метро Филадельфии — 60 км/ч. Вашингтона — 56, Сан-Франциско — 53, на экспрессной линии Парижа — 48, в Хельсинки — 43 км/ч.
Интересно, что на метрополитене г. Лилля (Франция) (рис. 19), Саппоро (Япония) (рис. 20) и некоторых других используются вагоны на пневматических шинах по пути, уложенному на бетонном основании.
В России первоначальная идея строительства городских тоннелей и линий метрополитена связана с Санкт-Петербургом (рис. 21).
В 1889 г. Правление Балтийской железной дороги выдвинуло первый проект внутригородской магистрали между Балтийским и Финляндским вокзалами.
В 1901 г. инженер Печковский В. Н. предложил построить дачный вокзал в середине Невского проспекта у Казанского собора и соединить его эстакадно-подземной дорогой с Балтийским и Варшавским вокзалами.
Интересное предложение выдвинул инженер путей сообщения Балинский П. И. (рис. 22), который намечал строительство шести городских линий, в том числе двух больших кольцевых трасс общей протяженностью в 95 верст (172 км).
В 1902 г. Балинский, предложения которого не нашли поддержки в Петербурге, выдвинул аналогичную идею перед московскими властями. Радиально-кольцевая схема составляла в общей сложности 105 км и включала в себя 28 км эстакад и 11 км подземной дороги. Одновременно с предложением Балинского в 1902 г. был представлен проект инженера Гиршсона, по которому намечалось сооружение подземной трассы под Невским проспектом — от Московского вокзала до Дворцовой площади.
В это же время в Городскую думу Москвы подали проект метрополитена (рис. 23) инженеры Антонович, Галиневич, Дмитриев. По проекту предусматривалась радиально-кольцевая схема внеуличной железной дороги, соответствующая исторической структуре улиц города.
Свои идеи по созданию внутригородской железной дороги предлагали в разное время инженеры Кульжинский (1902), Горчаков (1909), Енакиев (1912), Графтио (июнь 1917), а также Управление городских железных дорог (1917).
В 1911 году Московская городская управа обнародовала свою концепцию городского метрополитена. В этом проекте предлагались три первоочередных диаметра и перспективная линия по Садовому кольцу. Однако так же, как и в Петербурге, финансовые и технические трудности помешали осуществлению проектов.
В 1918 г. Москва становится столицей и транспортная проблема требовала решения. Появились планы реконструкции Москвы, среди которых архитектор Сакулин выступил со схемой метрополитена, связанного с пригородными железными дорогами. В 1922 г. было создано Управление московского коммунального хозяйства, поручившее входящему в него Управлению московских городских дорог трамвайной сети (МГЖД) проектирование метрополитена. В 1925—1930 годах МГЖД разработал сеть метрополитена, состоящую из четырех диаметральных и одной кольцевой линий общей протяженностью 50 км. В сентябре 1931 г. было создано Управление Метростроя и в Техническом отделе началось конкретное проектирование первой линии. Возникла самостоятельная организация — Метропроект под руководством профессора Николаи В. Л.
По масштабам работы строительство метро являлось грандиозной стройкой. На прокладке 16 км тоннелей ушло чуть более двух лет, в то время как лондонскую 10-километровую трассу строили четыре года, а 20-километровую в Нью-Йорке — семь лет.
15 мая 1935 года открылось пассажирское движение по первой линии московского метрополитена (имени Кагановича) протяженностью 11,2 км, включающей 13 станций с конечными «Сокольники» и «Парк Культуры» (рис. 24).
Бесплатный фрагмент закончился.
Купите книгу, чтобы продолжить чтение.