В процессе строительства линий первой и второй очередей московского метро был технически отработан, проверен на практике и усовершенствован метод проходки с замораживанием грунтов. Можно с уверенностью сказать, что по сравнению с зарубежным методом это был новый метод. Прежде всего в 2—3 раза было увеличено расстояние между замораживающими скважинами, в результате чего стоимость и сроки работ без ущерба для их качества удалось сократить в 3—4 раза. Была изменена технология буровых работ, внедрено бурение наклонных замораживающих скважин без обсадных труб, благодаря чему скорость бурения значительно увеличилась.
В 1937 г. при Метрострое была организована контора специальных способов работ, в функции которой входили кроме замораживания искусственное понижение уровня грунтовых вод, буровые работы и геологоразведочные изыскания с применением бурения. В начале работ на третьей очереди метро и в годы Великой Отечественной войны конторе было поручено строительство новых угольных шахт в Подмосковном угольном бассейне и на Урале. Шахты были пройдены способом замораживания грунтов. Одновременно велись работы по замораживанию при сооружении наклонных ходов на станциях «Площадь Свердлова», «Маяковская», «Белорусская». Во время войны способом замораживания были пройдены эскалаторные тоннели станций «Новокузнецкая», «Павелецкая», «Сталинская» (ныне «Семеновская»), «Бауманская», «Электрозаводская».
На кольцевой линии московского метро проходка всех стволов эскалаторных тоннелей, строительство подземных вестибюлей, а также участка тоннеля на выходе в Краснопресненское депо тоже осуществлялись с применением искусственного замораживания плывунов и неустойчивых пород. В ряде случаев производилось водопониже-ние. Новым этапом развития способа замораживания грунтов и одновременно значительным вкладом в технику тоннелестроения явилось освоение таких сложнейших объектов строительства, как проходка наклонных ходов диаметром 11,5 м в плывунных грунтах на станциях «Киевская»-кольцевая и «Комсомольская»-кольцевая.
Способом искусственного замораживания грунтов на кольцевой линии построено более 34 объектов, в том числе 17 эскалаторных тоннелей, девять стволов шахт, три подземных вестибюля, две камеры съездов, переходы и горизонтальные участки тоннелей. Для выполнения этого объема работ было пробурено около 100 тыс. пог. м замораживающих скважин и свыше 25 тыс. пог. м разведочных скважин. Объемы работ, выполненных способом замораживания при строительстве кольцевой линии московского метро, превысили соответствующие объемы на линиях первой, второй и третьей очередей, вместе взятых.
Значительные трудности представляла проходка крупных котлованов, запроектированных для подземных вестибюлей. Сложное многоярусное крепление, обычно устраиваемое внутри котлована, загромождает его сечение, ограничивает применение машин и механизмов и удорожает строительство. Была исследована и выявлена возможность использования искусственно замороженных грунтов в качестве строительного материала для создания несущих конструкций, ограждающих котлован. Разработка и широкое внедрение замораживания в плывунных грунтах без применения креплений относятся к числу значительных усовершенствований в области использования искусственно замороженных грунтов.
Решение проблемы было основано на обобщении большого практического опыта и использовании теории механики мерзлых грунтов. В творческом содружестве с Институтом мерзлотоведения имени В. А. Обручева Академии наук СССР были изучены физические и механические свойства искусственно замороженных грунтов как строительного материала. Изучалось распространение холода в грунтах различных минеральных составов и исследовались вопросы рационального температурного режима замораживания для создания ограждающих несущих конструкций. Результаты исследований позволили разработать технологию процесса замораживания. Было изучено также поведение глин в мерзлом состоянии, влияние наружной температуры воздуха и солнечной радиации на оттаивание замороженных обнаженных стенок котлована, определены возможные деформации грунтов под влиянием их вспучивания при замораживании, разработаны методы регулирования процесса замораживания и соответствующая контрольно-измерительная аппаратура.
Новый способ разработки котлованов впервые был применен при строительстве высотного здания у Красных ворот в Москве (ныне площадь Лермонтова). В подземной части здания сооружался второй вход на станцию метрополитена, включавший малый и большой эскалаторные тоннели и промежуточный вестибюль, к которому в плане примыкает центральная часть здания высотой 138,5 м. Для сооружения подземного комплекса необходимо было разработать котловаи длиной 30,2 м и шириной 21,1 м в плывунных грунтах мощностью 16 м.
Применение способа замораживания дало возможность параллельно вести строительство высотного здания и сложного подземного комплекса, расположенного в мощном слое плывунных грунтов, впервые в практике строительства раскрыть большой котлован без применения крепления внутри его, вести работы широким фронтом при максимальной механизации, обеспечить безопасность работ и высокую производительность труда, получить значительную экономию материалов и снизить стоимость работ на 5,5 млн. руб., предохранить от деформации основание как высотного здания, так и расположенных поблизости строений, сократить благодаря параллельному ведению подземных и наземных работ сроки строительства на 12 месяцев.
При строительстве высотного здания под руководством автора статьи был разработан способ регулирования процесса деформаций сооружений при применении метода искусственного замораживания грунтов.
Новый способ разработки котлованов был применен на строительстве ряда сооружений: подземного переходного вестибюля, эскалаторного тоннеля, переходного коридора станции «Комсомольская», вестибюля станции «Белорусская» в Москве, вестибюлей станций «Арсенальная» и «Завод «Большевик» в Киеве и др. Способ широко внедрен в практику строительства подземных сооружений.
Разнообразие условий, в которых сооружают тоннели метрополитенов, диктует необходимость постоянного совершенствования методов производства работ. Модифицированный способ замораживания был применен на трассе одной из веток длиной 256 м, которая соединяет кольцевую линию с депо. Она прокладывалась в тяжелых гидрогеологических условиях, под территорией, плотно застроенной жилыми и промышленными зданиями. Было принято решение расположить замораживающие скважины под жилыми домами с разными углами наклона, веерообразно, с целью образования «шатров» над тоннелями. Такое расположение скважин позволило обойтись без сноса некоторых зданий. Всего таким образом было пробурено около 18 тыс. пог. м замораживающих скважин.
В сложных гидрогеологических условиях велось и строительство перегонных тоннелей между станциями «Вокзальная» и «Университетская» в Киеве. Тоннели почти полностью проходили в слабовлажных мелкозернистых песках, покрытых тонким слоем глины, на которой располагалась большая толща водонасыщенных песков. На трассе одного из участков находилось здание действующей теплоэлектростанции с градирнями, бассейном и т. п. Любая деформация могла вывести электростанцию из строя. Сложная техническая задача была решена с помощью искусственного замораживания грунтов при веерообразном расположении замораживающих колонок, наклонно, в форме «шатра».
В 1954 г. на ряде объектов впервые в СССР был применен способ ступенчатого замораживания грунтов. В условиях, когда неустойчивые водонасыщенные грунты залегали на некоторой глубине от поверхности, верхнюю часть ствола проходили обычным горным способом в глинах и сухих песках. Проходка нижней части ствола в неустойчивых грунтах осуществлялась с применением ступенчатого замораживания. Бурение скважин и замораживание грунтов производили из камеры, сооруженной на требуемой глубине. Этот способ позволил значительно сократить сроки строительства, удешевить работы, уменьшить количество материалов. Локальное замораживание грунтов с глубинных уровней выработок нашло применение и на ряде других объектов.
Сооружение перегонных тоннелей Краснопресненского радиуса под каналом имени Москвы, в непосредственной близости их свода от дна канала, представляло собой сложную инженерную задачу. Песчаное дно канала подстилали крепкие водонасыщенные известняки, ниже залегали глины. Взрывные работы при проходке известняков могли нарушить устойчивость кровли тоннелей. Был принят вариант создания вдоль дна канала защитной льдогрунтовой плиты толщиной 4 м посредством укладки в дне замораживающих секций с засыпкой их песчаным грунтом.
Проходка перегонных тоннелей Кировско-Выборгской линии Ленинградского метрополитена велась в дельте Невы в древних глубоких размывах. На участке тоннеля длиной 400 м осуществили замораживание грунтов сплошным массивом, для чего было пробурено 1900 вертикальных скважин. Для замораживания зоны размыва вся трасса была разбита на несколько участков, с учетом мощностей холодильных установок и других ресурсов. На этой трассе впервые в Метрострое для замораживания перемычки был применен жидкий азот.
Большая разница отметок поверхности на некоторых участках метрополитена в Киеве вызвала необходимость устройства на некоторых станциях двухмаршевых эскалаторных входов с промежуточными подземными вестибюлями. На станции «Арсенальная» такой вход состоит из двух эскалаторных тоннелей и имеет промежуточный вестибюль.
Гидрогеологические условия представлены мощными слоями сильно водонасыщенных грунтов. Вблизи выработки расположены многоэтажные жилые дома и городские подземные коммуникации, а непосредственно над ней проходит основная городская магистраль с интенсивным движением транспорта. Проходка в таких трудных условиях могла быть выполнена только при искусственном замораживании грунтов.
При сооружении верхнего наклонного тоннеля толща глин, принятая за водоупор, оказалась неустойчивой, и остановленные в ней замораживающие скважины не создали замкнутости контура снизу. В результате при подходе к этому слою в наклонный ход прорвался плывун, а на поверхности образовалась воронка. Дальнейшая проходка эскалаторного тоннеля была осуществлена способом горизонтального замораживания грунтов.
При сооружении промежуточного вестибюля станции «Арсенальная» наиболее рациональным оказался способ опускания с поверхности земли до необходимой отметки готовой железобетонной конструкции под защитой замороженного льдогрунтового цилиндра, мерзлый грунт которого служил в качестве несущей ограждающей конструкции. Опыт строительства подтвердил целесообразность принятого способа, который был внедрен и на других объектах киевского Метростроя.
Строительство нижнего эскалаторного тоннеля станции «Арсенальная» (второго марша) также представляло собой сложную техническую задачу, так как наклонный тоннель необходимо было соорудить, начиная со значительной глубины, в мощном слое водонасыщенных грунтов. Наиболее рациональным оказалось ведение замораживания грунтов из промежуточного подземного вестибюля (способ подземного замораживания). Этот способ был внедрен также на станциях «Завод «Большевик» и «Крещатик» (второй эскалаторный тоннель). Подземное бурение было организовано из промежуточного вестибюля, опущенного на проектную отметку. Строительство тоннелей способом подземного замораживания осуществлено впервые в мировой практике.
Ведение проходческих работ с применением замораживания грунтов позволяет значительно сокращать сроки сооружения тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях, вести разработку грунта на полное сечение тоннелей больших диаметров, обеспечивать безопасность ведения работ, осуществлять работы при интенсивном движении городского транспорта, а также при наличии сложного подземного коммунального хозяйства, жилых и промышленных зданий.