関門トンネル (山陽本線) 建設
続いて旅客営業の開始の準備も進められ、10月11日に旅客開業を予定していた。しかし8月27日に台風が関門地方を襲い、乏しい資材をやりくりして建設した新しい下関駅のホーム上屋を吹き飛ばされてしまい、開業は延期となった。最終的に11月15日に全国的なダイヤ改正を実施して、関門トンネルでの旅客列車の運行が開始されることになった。10月11日、靖国神社参拝のために上京する九州地方の軍人遺族を乗せた旅客列車が特別に関門トンネルを通過した。開業前には、関門トンネル開通記念の歌が賞金1,000円をかけて一般公募され、選ばれた「海の底さへ汽車は行く」を東海林太郎が歌った。また門司において関門トンネル開通記念大相撲が開催され、当時の横綱双葉山定次と羽黒山政司が下関方坑口において浄めの土俵入りを行った。開通前日の11月14日には下関方坑口にて工事の殉職者を祀る殉職碑の除幕式が行われた。
下関駅では、11月14日23時50分に旧駅出発の最終列車となる京都行きを送り出し、23時52分に最終到着列車を迎えると、徹夜で新駅への引っ越し作業が行われた。新駅では、前日14時15分に京都を出発して走ってきた鹿児島行き第221列車が初列車となり、蒸気機関車を電気機関車に付け替えて、鉄道員たちが万歳をする中、初の旅客列車が関門トンネルへ送り出された。下関駅の関釜桟橋大待合室ではこの日開通式が行われ、山口県・福岡県の両県知事、下関市・門司市の両市長、両県選出の議員、鉄道大臣および鉄道省関係者などが出席した。戦時陸運非常体制が敷かれている中、関門トンネルの開通は国を挙げての祝賀となり、新聞では「興亜鉄路の輝く発足」「科学日本の勝利」などと書きたてた。
11月15日のダイヤ改正を前に10月11日から24時間制が採用され、それまでの午前・午後の区別をやめ午後を13時から24時と呼ぶようになった。11月15日ダイヤ改正で、特急「富士」が九州に乗り入れて東京 - 長崎間で運転されるようになり、このほか東京と九州各地を結ぶ急行列車の設定が行われた。関門トンネルを通過した直通旅客列車の運行は開始されたが、それまでの本州内の列車と九州内の列車をつなぎ合わせたような設定に留まり、本格的な増発はなされず、むしろ戦時輸送力強化のために全般にスピードダウンする改正であった。しかしこのダイヤ改正は過去最高の列車設定キロを達成したものであり、このわずか3か月後の1943年（昭和18年）2月15日ダイヤ改正では戦局の悪化を反映して優等列車の大削減が実施され、以降は輸送力の削減が進むことになった。なお、関門トンネルは従来の門司市街地からは西側に寄った位置にあり、市街地へ行く旅客にとっては遠回りとなって不便であったこともあり、貨車の車両航送を行っていた関森航路がトンネル開通後廃止されたのに対して、旅客輸送を行っていた関門航路の方は減便されつつも運航を継続することになった。
トンネル開通とほぼ同じ時期に、大陸連絡の強化を目的として、下関 - 釜山間の関釜航路の補完航路となる、博多 - 釜山間の博釜航路が開設され、博多港への臨港貨物線も整備された。富野操車場（のちの東小倉駅）、折尾操車場の新設、鳥栖操車場の拡張、黒崎-折尾間の線増、筑豊本線や鹿児島本線の一部区間の複線化など、関連する設備増強が実施され、順次輸送体制が一新されていくことになった。
下り線のトンネル建設費は、当初1,382万円を稟申していたが、その後の物価や人件費の高騰に伴い、決算額としては1,967万円となった。
当初は、関門トンネルはまず単線で完成させ、将来的に交通量が増加したときに追加の単線トンネルを施工して複線とする計画であった。しかし関門間の交通量が急増したため、まだ下り線トンネルを建設中であった1940年（昭和15年）の第75回帝国議会において上り線トンネルの予算の協賛を受けて着工が決定した。
下り線トンネルの建設に労力を割かれていたため、本格的に着工するのは余力ができてくる1942年（昭和17年）になってからであり、この時点では1945年（昭和20年）3月末に上り線完成、4月1日をめどに開通させる計画であった。しかし1942年（昭和17年）10月6日に戦時陸運非常体制の一環として、九州産の石炭を本州に送るために、上り線トンネルを昭和18年度中に繰り上げ完成させるとの方針が閣議決定され、鉄道省本省からも工期の極力繰り上げの指示がなされたことから、急速に工事が進められることになった。なお、門司方から443.5メートルの開削工法区間・潜函工法区間は、下り線建設時に同時に施工済みであり、上り線トンネルの工事はこれより下関方の区間である。
下り線トンネルを建設した際には、下り線下関方立坑から掘削した切羽以外は、試掘坑道から斜坑で取りついて掘削を行った。このため、多くの掘削箇所に対しては試掘坑道の立坑から取りつかねばならず、試掘坑道立坑のエレベーターの能力によって作業の進捗が制約された一方、本坑の立坑ではエレベーターの能力を十分生かすことができなかった。このため、上り線トンネルにおいては本坑立坑のエレベーター2台のうち、1台分については上り線トンネルより深くまで掘り下げて試掘坑道まで連絡できるようにして、試掘坑道への運搬能力を強化することにした。
下り線工事の際に設置した坑外設備をできるだけ流用するために、下り線立坑になるべく近い、510K275M50の位置に上り線立坑を建設した。深さは上り線トンネルまで43.66メートル、試掘坑道までは55.06メートルあり、内径は本トンネルまで7メートル、その先試掘坑道までは2.7メートル×5.25メートルの矩形とした。上部から掘削と覆工を繰り返しながら掘り下げていったが、10メートルほどまで掘り下げた時点で下関方取付部の底設導坑が立坑下部に到達し、10センチメートル径の穴を穿って湧水を底設導坑に流し込むようにした。その後、下関方取付部の崩壊事故により作業員が閉じ込められる事件があったが、この穴を利用して食品を送り込むことができた。また救助作業のために試掘坑道から切り上がる形で本トンネル底設導坑に取りついた穴を利用して、上り線立坑の試掘坑道までの延長を完成させた。上り線立坑は1940年（昭和15年）8月15日に着工したものの、下り線工事に全力を投入した結果労働力が不足し、計3回に渡りのべ13か月半作業中断期間があり、竣功は1942年（昭和17年）6月30日となった。
上り線下関方取付部は全長1,419.40メートルあり、地質は下り線の取付部と同様で、また同じく間組の請負により施工された。坑口から650メートルの509K505M地点の下り列車進行方向に向かって本線右側から、勾配3分の1で総延長51.2メートルの杉田斜坑を建設して取り付いた。ここから2.10メートル×2.40メートルの底設導坑を下関方立坑に向かって掘削し、1941年（昭和16年）10月7日に立坑下部へ到達した。この途中、6月26日に豪雨により、コンクリート搬入用の立坑から浸水して14日間掘削作業が中断する事故があった。1941年（昭和16年）1月には斜坑から坑口へ向かって、11月には坑口から斜坑へ向かっての底設導坑も着工し、1942年（昭和17年）4月20日に坑口から188メートル、斜坑から460メートルの地点で貫通した。
1941年（昭和16年）12月16日に、斜坑から立坑へ向かって約300メートルの地点で、覆工作業中に約10メートルにわたって600立方メートルの岩石が崩落し、奥で作業していた5名が閉じ込められる事故が発生した。当時、試掘坑道側に水抜き坑が掘ってあったため奥に水が溜まるおそれはなく、また下関方立坑から垂直の水抜き坑も掘ってあったため、ここから食料を送り込むことができた。崩落事故発生現場と試掘坑道側の両方から救出坑の掘削が進められ、事故発生から約60時間後に崩落事故現場側からの坑道が開通して5名を救出することができた。上り線下関方取付部は、1940年（昭和15年）6月13日に着工し、1943年（昭和18年）9月14日竣功となった。
上り線下関方海底部は延長869.5メートルで、下り線の建設時の経験に基づき施工計画を行った。工事をしていない斜坑の数をなるべく減らすため、試掘坑道から本坑に取りつく斜坑の数はなるべく減らしたいという考えがあり、結果的に上り線では斜坑は2か所になった。難関となる第三紀層地帯については圧気工法の採用も検討したが、下関方には圧気工法の経験のある者がほとんどいなかったこと、下り線建設時のセメント注入がよく回っていると判明したことなどから、セメント注入で固めながら掘削していく方針となった。
第一斜坑は、第三紀層地帯より下関方の510K490Mに、高さ2.8メートル、幅2.5メートルの断面で本線に直角に建設した。1942年（昭和17年）2月から4月にかけて建設し、上り線トンネルに切り上がった。第二斜坑は地質の良好な510K820Mに、やはり高さ2.8メートル、幅2.5メートルの断面で、本坑トンネルと40度をなす角度で斜めに建設した。この配置は第三紀層地帯に圧気工法を適用することを考慮したもので、門司方からの送気が可能なような向きで建設した。1942年（昭和17年）2月に着手し3月に完了した。
立坑から第一斜坑までの207.5メートルは、下り線同様に地質が良好と考えられ、通常通り底設導坑を先進させる形で掘削した。1942年（昭和17年）1月20日に立坑側から着手し、途中第一斜坑側からも底設導坑を推進して、4月に貫通した。以降切り広げを進め、12月に頂設導坑が貫通し、1943年（昭和18年）7月に完成した。
第一斜坑と第二斜坑の間は、約180メートルにわたって地質の悪い第三紀層地帯があり、この区間については頂設導坑を先進させた。1942年（昭和17年）4月に第一斜坑側から着手し、約10メートル底設導坑を進めたあと、510K495M付近において頂設導坑に切り上げて前進した。同じく4月に第二斜坑からも第一斜坑へ向けて着手し、約70メートル、510K751M付近まで底設導坑を進め、以降頂設導坑に切り上がって前進した。12月5日に510K707M地点において湧水を見たため、急遽埋め戻して隔壁の構築を行った。この後、2か月半にわたりセメント注入を行ったあと再度前進し、安全に元の位置まで到達することができた。以降順調に掘削を進めたが、双方から掘削して貫通させると覆工のない区間が長くなって危険なため、第二斜坑側から掘削した導坑の510K656M付近において隔壁を設置して、内部にセメント注入を行い、以降は第一斜坑側からの貫通を待った。1943年（昭和18年）9月15日に隔壁を爆破して頂設導坑が貫通した。以降、切り広げと覆工を進め、1944年（昭和19年）3月までに完了した。
第二斜坑から門司方へは1942年（昭和17年）7月に着手した。地質は良好で、途中地質が悪化してセメント注入を行った区間もあったが、おおむね順調に掘削を進めた。門司方からシールド工法部が接近してきたため、圧気工法に備えて気閘を準備したが、シールド工法区間との距離が10メートル程度となったことから、掘削を中止して圧気をかけて待機し、1943年（昭和18年）12月31日に511K167Mにおいて発破を行って貫通した。以降順次切り広げと覆工を進め、1944年（昭和19年）4月までに完了した。
上り線トンネル下関方海底部は、1940年（昭和15年）12月1日に着工し、1944年（昭和19年）8月8日竣功となった。
上り線では、門司方の立坑を2か所建設した。門司方第一立坑は圧気工法の起点とするもので511K900M地点に、門司方第二立坑はシールド工法の起点とするもので511K550M地点に、それぞれ建設した。
第一立坑は潜函工法（ニューマチックケーソン工法）で施工され、地表から6メートルまでは素掘りして、以降蓋と気閘を設置して圧気を掛けて掘削を進めた。掘削は非常に容易で、1942年（昭和17年）3月15日に着工、5月15日に圧気を開始し、7月17日に竣功した。
第二立坑はシールドマシンの組立を行う場所であり、かつ圧気工法の終点となる。圧気工法で建設したトンネルの末端でシールドマシンを組み立てられる大きさに断面を広げる工事を行うのは難しく工期も長いことから、シールドマシンの組立のための立坑を建設することになった。シールドマシンを組み立てられる断面で潜函工法や井筒工法を用いることは不経済であったため、立坑の建設には圧気工法を使用することになった。上部6.5メートルをまず素掘りで掘削し、圧気工法のための蓋を設けて気閘を設置した。以降は圧気をかけて、湧水もほとんどなく順調に掘削を進めた。1942年（昭和17年）4月13日に着工し、7月1日に圧気を開始し、7月22日に竣功した。これ以降に、立坑下部にシールド組立室と、圧気工法区間の終点となる気閘と隔壁を備えた部分を建設した。
上り線における圧気工法区間は、第二立坑から下り線建設時に施工済みの潜函までの467.32メートルで、中間に第一立坑を建設してあった。第一立坑からは第二立坑へ向かって掘進し、下り線建設時に施工済みであった1号潜函からも第一立坑へ向かって掘進する計画とされた。
まず1号潜函を圧気したうえで、起点側の壁を破って掘削を開始した。掘削は当初中央導坑先進逆巻式で、中央導坑先進式にある程度自信を得たため、進行速度を早めることを目的に後半は中央導坑先進全断面掘削とした。中央導坑先進逆巻式は、トンネル断面の中央付近に先に導坑を掘削し、その後、上部を切り広げて覆工を行いながら下部へ下ってくるもので、導坑掘削作業と覆工作業を並行して行える利点がある。中央導坑先進全断面掘削になると、トンネル断面の中央付近の導坑を先に掘削したあと、全断面を掘削して一度に覆工を行う。中央導坑は第一立坑に貫通したが、その後労働力が逼迫してきており、第一立坑から第二立坑へ向けた掘削に全力を投入しなければならなくなったこともあり、一時的に1号潜函からの工事は中止することになった。
第一立坑から第二立坑へ向かって掘削を開始し、立坑から58.6メートルのところまで中央導坑が進んでいた1942年（昭和17年）10月13日23時15分ごろ、大音響とともに掘削中のトンネル真上に位置する地上のコンクリート混和場から猛烈に土砂が吹き上げる噴発事故が発生した。吹き上げた土砂は高さ最大20メートルに及び、このために坑内の気圧は大幅に低下することになった。坑内は広い範囲で崩壊し、地上では地面が約2メートル沈下した。事故時は作業員の交代時刻にあたっており、掘削作業現場には誰もいなかったが、約10人がコンクリートの型枠内で次のコンクリート作業の準備を進めているところであった。事故後ただちに点呼を行ったところ、5名が不明であることが判明した。全従業員で救助坑を掘削して救助活動を行い、5名全員を事故から52時間後までに収容したが、5名とも殉職した。崩壊現場付近は下り線工事の際に潜函工法で立坑を建設した場所にあたり、これに伴い地盤が緩んでいたところにコンクリート混和場の立坑を掘ったため、トンネル内の圧気に耐えられずに地上へ噴出する事故を起こしたものとされた。
噴発事故の復旧のために、第一立坑と1号潜函の間が貫通していたのをいったん埋め戻して隔壁を設け、第一立坑側は排気を行うことにした。坑内を排気して大気圧に戻すことにより、地下水の浸透で崩壊土砂を落ち着かせようとした。そして崩壊箇所について中の空洞を埋め戻す注入作業を行い、また噴発の原因となったコンクリート混和場を埋め戻し、陥没した地面も土砂を盛って埋め戻した。掘削の再開まで約2か月、完了までに約4か月の合わせて約6か月ほどかかる見込みとなり、時間がかかる見込みとなったため、第二立坑まで圧気工法での掘削が到達してからシールド工法を開始するのではなく、第二立坑から独自にシールド工法での工事を先行させることになった。
第一立坑との間を埋め戻した1号潜函側からの掘削現場では、中央導坑周辺の掘削を進め、1号潜函と2号潜函の間の壁を破って連絡する工事を進めた。そして第一立坑が再度圧気された際に気圧を合わせて第一立坑との間の接続工事を行った。
一方第一立坑から崩壊区間の掘削は、気圧を下げて頂設導坑式で慎重に進め、当初懸念していた再度の沈下や漏気はほとんどなく、予想していたよりも早く崩壊区間を通過することができた。第一立坑から100メートルほどまで前進したところで、水平部に気閘を新たに設置して第一立坑の排気を行った。以降は順調に掘削を進め、第二立坑側から逆に掘削した部分にも気閘を設置して圧気を行ったうえで、1943年（昭和18年）11月25日に貫通した。1944年（昭和19年）2月4日に覆工が完了し、2月11日に排気された。
圧気工法区間は1942年（昭和17年）4月1日着工、1944年（昭和19年）4月30日竣功となった。
上り線トンネルのシールド工法は第二立坑から発進するもので、当初は圧気工法が第一立坑から第二立坑に到達した後にシールドを発進させる予定であったが、圧気工法区間での噴発事故の発生で到達が遅れる見込みになったことから、シールドが単独で先行することになった。下り線トンネルと同様、上り線トンネルの発進立坑も曲線区間にあり、下り線での経験からシールドの曲線での推進にも自信を得ていたが、立坑内でシールドの推進力を後ろの壁に伝えるために仮組してある環片が移動しないように、発進時は直線で推進して、シールド全体が地中に入ってから曲線へ推進させることになった。
下り線トンネルでは、シールドマシンを組み立てて発進させる台が沈下してしまったことから、上り線ではコンクリートを用いた台を用意し、結果的にまったく沈下せずに済んだ。シールドの製作と組立作業は一括して三菱重工業に請け負わせて実施し、立坑完成後すぐの1943年（昭和18年）1月に組立に着手し、下り線で2か月ほどかけた作業が1か月で完了した。シールドの装備品についても、下り線の経験を反映して改良されたものとした。すべての準備作業に、下り線では約6か月を要したが、上り線では約4か月で完了し、1943年（昭和18年）5月7日から圧気を開始し、5月10日からシールドの推進を開始した。
下り線での経験ではズリのトロッコへの積み込み作業で進行速度が制約されていたため、上り線においては空気圧動作式のズリ積み機を用意した。下り線ではズリ積み機がなく、手作業でのズリ積み込み作業を楽にするため、シールドの中段にズリを貯めて下段に押し込んだトロッコに落とし込む作業を行っており、このためにシールド推進後環片組立作業中にもズリの積み込み作業を行わねばならず、作業が輻輳して時間を要していた。上り線では下段にズリを落としてズリ積み機で処理するようになったため、ズリ処理のために掘削を中止する必要はなくなり、環片組立作業中は全力で前方の掘削を行えるようになり、またズリ積み込み作業のために環片組立作業を中断する必要もなくなった。こうして効率的になった結果、1輪環がわずか3時間で進行したことさえあった。
7月12日にシールド推進作業を中断して第1隔壁の構築作業に取りかかった。7月28日に立坑内の排気を行った。排気後、立坑内の蓋を撤去し昇降機の設置を行い、シールド発進に用いた仮組環片の撤去を行った。9月1日にシールドの推進が再開された。それまで立坑のデリッククレーン1台に頼ってズリの搬出を行っていたため、1日2.5輪環の進行が限界であったが、坑内外の連絡設備が完成したことで、もっぱら進行は坑内の作業によって決まるようになった。何らかの機械の故障に何度も見舞われながらも、10月に入ると順調に進行するようになり、1日5輪環の進行を普通に出せるようになって、さらに成績が向上して行った。
下り線トンネルにおいては貝殻層において漏気が激しくなって一時シールドの停止を余儀なくされたことから、上り線トンネルにおいては試掘坑道からのボーリングで地質調査が入念に実施され、事前に薬液の注入を行った。10月16日からまず洪積層に突入し、圧気で区切られている区間の長さや残りの掘削距離を考慮して10月末から第2隔壁の構築を行った。11月に入るといよいよ貝殻層に入り、湧水の増加を抑え込むために坑内気圧を上昇させて進行したが、漏気量は少なく薬液注入の効果もあって順調に進行することができた。次第に岩盤層に入り、12月20日の時点で切羽が511K181M50に到達した。この時点で下関方からは底設導坑が511K160Mまで到達しており、残り21.5メートルとなった。下関方では貫通に備えて、気閘を設置して圧気をかけて準備し、さらに底設導坑を511K168Mまで推進したが、これ以上の掘削を断念して待機することになった。
12月31日9時、門司方からシールドによる体当たりで貫通した。そのままさらにシールドで前進を続け、用意してあった環片を使い切る第494輪環まで進めて1月27日にシールド工法を終了した。以降、覆工や清掃、排気、シールドの解体と隔壁の撤去などを進めた。
シールド工法部は、1943年（昭和18年）5月4日着工、1944年（昭和19年）8月8日竣功となった。
工事の末期となると、1943年（昭和18年）7月前後から労務供給事情が悪化し、勤労報国隊の出動を仰いで掘削の継続を何とか維持した。しかし、さらに労働力の事情は厳しさを増し、1944年（昭和19年）4月になると学生報国隊の増援まで仰ぐようになった。こうした懸命の努力により、覆工と漏水防止処置を完了し、6月15日にはレールの締結を完了した。7月に電気関連の工事を完了させた。
こうして1944年（昭和19年）8月8日についに上り線トンネルが開通となった。星野所長は本省に対し、「次男坊生レタリ、長男坊ヨリ出来ガヨシ」と打電した。新聞では「決戦輸送の巨歩 関門隧道晴れの竣工式」「鉄道も兵器だ 勝抜け決戦輸送」などと報じ、当時の戦局を反映したものとなっている。
下り線トンネルはこの際に改修工事を行うことになり、すべての列車の運転を上り線トンネルに移しておよそ1か月にわたって下り線の運転を休止して作業を行った。漏水が相当多かったため再度注入を行って漏水防止を図り、当初テルミット溶接したレールは、たびたび溶接個所が破断し摩耗も激しかったため、25メートルの通常レールに取り換えた。架線も複架線式に改良し、軌道回路の電流漏洩が激しく確実な信号動作ができなくなっていたことから、1つの軌道回路の長さを短縮する改造を行った。こうした修理工事を終えて、9月9日に複線での運転が開始された。
上り線トンネルの決算額は約1,961万円であった。工事期間中、上下線を合わせて20名の殉職者が出た。