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関門トンネル (山陽本線) 建設
下関方取付部は、1938年（昭和13年）5月3日に着工した。まず、杉田斜坑を509K580M地点に、下り列車進行方向に対して右側から、本線に直角に建設した。勾配は2分の1で、幅4メートル×高さ3メートルの断面とし、松丸太の支保工を用いて掘削して1938年（昭和13年）10月に完成した。なお杉田斜坑は本線トンネル完成後に土砂で埋め戻した。1938年（昭和13年）10月1日から、斜坑から下関方入口へ向けて導坑掘削を開始し、10月28日には下関方入口からの導坑掘削も開始した。1939年（昭和14年）5月20日に入口から263メートル、斜坑から708メートルの地点で貫通した。また斜坑から立坑へ向かっては、斜坑から約90メートル掘削した時点で縦坑側から直轄で掘削してきた底設導坑と1938年（昭和13年）12月23日に貫通した。以降、底設導坑を本断面へ切り広げ、覆工を実施した。
覆工作業中、1940年（昭和15年）2月15日12時45分ごろに509K126M付近において、延長約36メートルにわたって約1,000立方メートルの土砂が崩壊する事故が発生した。崩壊の数日前から降雨が続いて付近一帯の地盤に緩みが生じ、切り広げ工事により平衡を失って崩壊したものと推定された。作業員は坑道を出ていたため人的被害はなかった。この区間の突破作業には65日間を要した。
関門トンネル (山陽本線) 建設
下関方取付部の工事に伴い、地下水位が低下して井戸が枯渇する被害が発生した。このため下関市に委託して水道の工事を行うとともに見舞金を支払った。また地下水位低下に伴って土地が乾燥し陥没を来たして家屋が傾くなどの被害も生じ、見舞金と復旧工事費を支払った。
下関方取付部は、1940年（昭和15年）6月28日に竣功となった。掘削土砂量約3万2,000立方メートル、覆工コンクリート量約9,400立方メートルで、請負金額は57万7,000円であった。
下関方海底部は、下関方立坑から873メートルの区間を施工した。試掘坑道による地質の確認で、海峡中央付近は地質が良好であるが、両側付近は地質が悪いことがわかっていたため、工期の短縮のために試掘坑道から複数の斜坑を建設して本坑へ取り付き、地質が悪いところも良いところも並行して何か所もの現場で同時に施工できるようにした。下関方海底部において試掘坑道との間で連絡斜坑は4か所に掘削され、起点側から順に第一から第四と番号を振られた。
関門トンネル (山陽本線) 建設
試掘坑道掘削結果から510K500M - 700Mは第三紀層地帯で工事が相当困難であると予想されたことから、第一斜坑はその手前の地質が良好な510K460M付近に建設された。この第三紀層は全長が200メートル以上あり、片側だけからは地質の確認が困難であったため、510K800M付近に第三斜坑を設けた。その後、実際の第三紀層地帯の掘削に際してさらに時間を要することが判明したため、第三紀層地帯の中でもっとも地質が良好と考えられた510K580M付近に第二斜坑を設けた。また第三斜坑からシールド工法終点までの長い距離の施工には相当な日数を要することから、さらに511K付近にも第四斜坑を設けた。なおこれらの斜坑は、本線トンネル完成後に埋め戻された。
関門トンネル (山陽本線) 建設
立坑と第一斜坑の間は、立坑側から1938年（昭和13年）7月に底設導坑に着工し、12月に第一斜坑側からの底設導坑と貫通した。第三斜坑の先は1939年（昭和14年）7月12日に門司方へ向けて底設導坑を着工し、途中断層破砕帯でのセメント注入を行いながら、10月23日に第四斜坑側へ貫通した。また第四斜坑から門司方への底設導坑は1939年（昭和14年）9月25日に着工し、途中労働者不足のため半年ほど休止期間があったが、1940年（昭和15年）8月17日に門司側からのシールド工法終点と予定していた511K100M地点に到達した。その後も普通工法区間をできるだけ延長することを目的として工事を進めたが、11月18日に511K114M80まで到達して中断した。いずれも導坑貫通後に全断面への切り広げを行い、覆工を行った。
関門トンネル (山陽本線) 建設
最難関となる、第一斜坑から第三斜坑までの第三紀層区間については、掘削前にコンクリートで隔壁を造り、ボーリングで穴を開けて中にセメント注入を行って地質を改良してから前進することを繰り返した。セメント注入におおむね1か月、その後の10メートル掘削におおむね1か月と、2か月かけて10メートル前進する作業を繰り返していった。第三紀層となる約260メートルの区間に対して、注入されたセメントは50キログラム入りセメント袋にして15万1,531袋に達し、1938年（昭和13年）10月から1940年（昭和15年）4月までの1,131日を費やして突破した。
下り線トンネル下関方海底部は、1938年（昭和13年）6月25日着工、1942年（昭和17年）3月31日竣功となった。
関門トンネル (山陽本線) 建設
下り線トンネルの門司方の立坑は、511K870M付近に建設した。この付近は軟弱な地盤であったことに加え、使用する設備がのちにシールド工法区間に利用できることから、潜函工法（ニューマチックケーソン工法）を採用した。潜函工法は、箱状の構造物（ケーソン）の下部に気密性を持った作業室を設け、ここに空気圧をかけて湧水を防ぎながら掘削し、ケーソンを所定の深さまで沈めていく工法である。深さは約24メートルあり、内部でシールドの発進をできるように考えて内部寸法を10メートル×9メートルの矩形とした。1938年（昭和13年）1月7日に着工し、同年12月6日に竣功した。
関門トンネル (山陽本線) 建設
下り線トンネルの512K216Mから出口の512K480Mまでの延長264メートルの直線区間は開削工法で施工した。大林組による請負工事で施工され、掘削2万9,732立方メートル、埋戻8,360立方メートル、鉄筋コンクリートの施工6,834立方メートルで、金額は32万2,000円であった。下関方取付部や海底部は単線トンネル2本を別に施工したが、門司方開削部は当初から複線分のトンネルを建設した。断面は、幅4.8メートル、高さ5.75メートルの箱型の単線トンネルを横に2本並べており、両方のトンネル間にある壁は0.6メートルの厚さがある。工事は、まずトンネルの両側に13.3メートルの間隔で鉄矢板を打ち込み、矢板間の土砂を掘削して、内部に鉄筋コンクリートでトンネルを施工したあと、上部を埋め戻した。開削工法区間を県道や市道が横断していたため、工事中の交通を遮断しないために仮設の橋を造って付け替えたほか、幅2.7メートルの川もあったため近くの別の川まで付け替えを行った。1939年（昭和14年）12月12日に着工し、当初は20か月の工期を見込んでいたが、労働力の不足や資材の入手難により遅れて、1942年（昭和17年）5月24日に竣工となった。
関門トンネル (山陽本線) 建設
下り線トンネルの512K016M50から512K216Mまでの延長199.5メートルの区間は潜函工法（ニューマチックケーソン工法）で施工した。起点側は下り列車進行方向に対して右に半径600メートルの曲線を描いている区間で、終点側で直線となる。合計7基の潜函を沈降させて構成しており、もっとも起点側の1基のみが単線用の潜函、残りの6基は上り線用の空間を含む複線用の潜函である。複線用の潜函には下関側から第1号 - 第6号と番号が振られている。起点側では上下線の中心間隔は8.5メートルあるが、終点側に行くにつれて次第に逓減していき、中心間隔が5.4メートルになったところから上下線が平行となる。潜函の沈降は6号・2号・4号を先に行い、その後、1号・3号・5号の順で沈降させた。潜函同士の間隔は1メートルあり、当初はこの間に地表から矢板を打ち込んで素掘りをする予定であったが、圧気工法に自信を得ていたため、圧気工法を併用してこの間を掘り抜く工事を行った。潜函工法区間は、1939年（昭和14年）2月13日に着工し、1942年（昭和17年）5月15日に竣功となった。
関門トンネル (山陽本線) 建設
下り線トンネルの511K875M50から512K016M50までの延長141メートルは圧気工法で施工した。この区間では、当初は潜函工法の採用を予定していたが、玉石が埋まっていたことや深部の風化が進んでいないことなどから潜函工法採用の最終決定ができず、水抜坑を掘削して地下水位を低下させれば普通工法で掘れるのではないかとの意見が出て水抜坑を掘削する方針に変更となった。
水抜坑を普通工法で単純に掘り抜くことはできないと考えられたため、圧気工法を採用することにした。この区間に着手した時点で、門司方立坑の井筒は沈降済みで蓋を外してエレベーターを設置する工事が始まっていたため、立坑側から圧力をかけた状態で掘削を開始することはできなかった。一方、終点方にある潜函工法で沈降させた単線潜函には、圧気をかけて作業をするための設備が整っていたため、これをそのまま利用して潜函側から立坑へ向けて水抜坑を掘削することにした。水抜坑は本線トンネルの施工基面の下3メートルの位置に掘削された。この水抜坑は順調に掘削されたものの、透水性に乏しい粘土質の地質であったためか、坑内の減圧を行ってもあまり地下水の排水ができず、地下水位は思うように低下せずに水抜きの試みは失敗に終わった。
関門トンネル (山陽本線) 建設
しかし水抜坑の掘削により圧気工法の採用に自信を得たため、本トンネルの掘削も圧気工法で行う方針に切り替えた。作業は頂設導坑先進で進められ、当初は鋼製アーチの支保工を建てていたのが、予想以上に地質がしまり土圧もほとんどなかったため、木製アーチの支保工に切り替えた。42メートルまで掘削した段階で、それまで中断していたシールド工法区間でシールドが再発進することになり、そちらに労働力を回すために1か月ほど掘削を中断した。シールドが順調に再発進したため余力を得て、圧気工法の区間も再着手することになり、それまでの経験から十分な自信を得たため、全断面掘削に切り替えた。水抜坑は、本坑の工事を終えたあとに埋め戻した。圧気工法区間は、1940年（昭和15年）11月1日に着手し、1942年（昭和17年）3月31日に竣功となった。
シールド工法部は、門司方の立坑である511K870M地点から海底部へ向けて発進し、当初は511K100M付近までの770メートルを掘削する予定であったが、実際には725.8メートルを掘削した。
関門トンネル (山陽本線) 建設
シールド工法に圧気工法を組み合わせる場合、トンネル直径と同じ程度の土被りを確保することが最低限必要であるとされ、実際にトンネルルートはこの条件を満たしていた。しかし土圧がアンバランスにかかるのを防ぎ、土被りの余裕を確保するために、土被りがもっとも少ない海底部には粘土と捨石を投入する粘土被覆（クレインブランケット、海底を粘土で覆うこと）を施工する方針とした。1938年（昭和13年）10月から1940年（昭和15年）1月までかけて、土被りが薄い全長約240メートル区間にわたり、試掘坑道中心から左右それぞれ35メートルの幅に、粘土を約7万立方メートル、捨石を約4万5,000立方メートル投入し、最大4.7メートルの厚さの被覆を行って、土被りとして最低10メートルを確保した。
関門トンネル (山陽本線) 建設
シールドマシンは、立坑内に組立台を設置してその上で組み立て、その後ろには5輪環（5リング）分の環片をあらかじめ組み立てて、これを利用してシールドジャッキの推進力を立坑に伝えるようにした。組立に2か月、装備品の設置に3か月、推進ジャッキ類の設置に半月、推進準備に半月と、実際に推進できるようになるまで約6か月を要した。装備に3か月かかったのは、山留ジャッキや環片組立機の納入遅れに加えて、こうした作業に不慣れであったことによる。シールドを発進させる立坑は半径600メートルの曲線区間にあるが、シールド工法区間の断面が普通工法区間に比べてかなりの余裕があることを利用して、当初は練習のために約14メートルを直線で進行して、その後、本来の曲線に沿って掘削を進めることにした。シールド発進時は、立坑自体を圧気することにしたため、仮の蓋を設置した。
関門トンネル (山陽本線) 建設
1939年（昭和14年）5月29日14時に初めてシールドマシンの推進を行い、47センチメートル前進した。翌30日に約11時間かけて環片の組み立てを実施した。6月7日から坑内への圧気が開始された。こうしてシールドが稼働し始めてまもなくの6月25日に、シールド工事の主任技師を務めていた斉藤眞平技師が立坑の梯子を登っているときに足を踏み外して立坑の底に転落し、病院に運ばれたものの当日中に亡くなった。シールド工事は、当初は環片組立に手間取り、1輪環分の掘削30.5立方メートルを1日3交代制のうち1交代半程度を要し、1日1輪環程度の進行に留まっていた。1939年（昭和14年）8月21日には、第58輪環を進行中に切羽の右側が崩落する事故を起こした。これは調査により、切羽を抑えるジャッキが緩んでいたことが判明した。
関門トンネル (山陽本線) 建設
坑内の資材運搬・ズリ搬出用線路は当初単線であったため作業が円滑でなかったが、7月29日に複線化し、1日1.3輪環程度進行するようになった。8月下旬になると、シールド側に可搬ポイントを接続してシールドとともに前進するようにし、空いた隙間に1回の前進距離の75センチメートル単位で接続できる短尺レールを取りつけるようにしたことで、さらに作業が円滑になり、1日1.7輪環程度の進行が得られるようになった。立坑のデリッククレーンによるズリ搬出・資材搬入によって進行速度が制約されるようになったことから、9月に入り坑内に圧気作業を区切る第1隔壁を構築する作業を開始し、立坑はエレベーターに改築することになった。
関門トンネル (山陽本線) 建設
第1隔壁の構築完了後、一時的にシールド作業を中止して、第1隔壁より立坑側を排気し、立坑仮蓋を撤去してエレベーターの設置工事を行った。1940年（昭和15年）1月15日に整備作業が完了してシールド工事が再開された。エレベーターの整備が完了したことにより、搬出入作業にはほとんど制約を受けることがなくなり、これ以降の作業の進行はほぼ掘削作業に左右されることになった。以降は1日平均2.87輪環の進捗を記録するようになった。これは、1日3交代制で各交代ごとに1輪環進行する作業を1週間継続し、そのうち1交代分だけ作業を停止するのに相当する進行度である。湧水量は少なく、気圧を12ポンド重毎平方インチ（約8万2,000パスカル＝約0.82気圧）まで下げても問題がなかった。海岸が近づいてきて次第に湧水が増えてきたため、次第に気圧を増加させたが23ポンド重毎平方インチ（約15万8,600パスカル＝約1.57気圧）程度で順調に進行することができた。1940年（昭和15年）7月19日、シールドが立坑から460メートルに達して海底下30メートル程度まで進行した時点で、おおむね海岸線の位置に第2隔壁の構築を始め、8月31日から掘削を再開した。
関門トンネル (山陽本線) 建設
9月に入ると、それまで真砂土であったのが地質が変化し始め、軟岩や粘土層などが出現するようになった。10月に入ると貝殻交じりの粘土になり、湧水量が増加したため坑内の気圧を増加させなければならなくなった。湧水量はますます増加していき、ついに坑内気圧を30ポンド重毎平方インチ（約20万6,800パスカル＝約2.04気圧）まで増大させることになり、このために作業員の作業時間は1交代で5時間に制限されて4交代制となった。シールドはスカスカの粘土層に浮いている状態となり、下部を掘削すると湧水量が増大するため下部の掘削が不十分な状態でシールドを前進させることになり、このためにシールドが下へ傾いて、傾きを修正するのに大変な苦労をすることになった。10月23日にはさらに大出水があり、34ポンド重毎平方インチ（約23万4,400パスカル＝約2.31気圧）まで坑内気圧を上げたため、作業時間は4時間に制限された。人員不足で4交代制以上に増やせなかったため、1日8時間は何も作業ができない時間が生じることになった。粘土層に入ったことによりシールドは下降し始め、上向きに戻すために苦闘したが、最大で188ミリメートルまで下降してしまい、蛇行限界を超過してトンネルの勾配に影響を与えかねないところまで計画勾配からの逸脱が進んだ。10月30日に下部がかなり緻密で堅い層に入ったことからシールドは上昇に転じ、沈下についてはようやく危機を脱することになった。11月2日になり、さらに湧水量が増大したため、ついに37ポンド重毎平方インチ（約25万5,100パスカル＝約2.52気圧）まで坑内気圧を上昇させた。このような高気圧を採用したことでついに湧水量も減少するようになり、作業が順調に進行するようになった。11月18日から5交代制を、12月2日から6交代制を採用できるようになり、1日2輪環程度の進行となった。しかし、貝殻交じりの層がさらに増えてきて空気の漏洩が増え、坑内気圧を維持するために空気圧縮機の運転台数が増大していった。シールド内の高圧空気が貝殻層を通じて漏れ、気泡が海面に溢れている状況であり、仮に坑内の気圧を下げると、この空気が漏れていく経路は一転して水の流入経路となってしまうのは明らかであった。
関門トンネル (山陽本線) 建設
12月9日になり、立坑から671メートル付近で第883輪環を掘削しているときに、下部から腐食した変成岩が現れ、その後次第に上に上ってきた。この層は掘削が容易でかつ湧水がなく、下関側の岩盤に達するまで残り約50メートルであったことから、これで下関側まで容易に到達できるめどが立ったと楽観するようになった。しかし12月10日の深夜、海上において4,000トン級の貨物船の衝突事故があり、船の舳を海底に引きずって流されるという事件があった。早速潜水夫を送って調査したところ、シールドの先端から約25メートルの海底に幅3メートル、深さ2、3メートル程度の大きな溝ができていることが判明した。シールドとはまだ距離があり、漏気量も変化しないため、そのまま掘削を続けながら、並行してこの部分に捨て粘土を行うことになった。ところが掘削を進めていると、予想に反して変成岩層は下方へ消えて貝殻交じりの粘土層となり、さらに純貝殻層に入ってしまった。湧水量が増大し、漏気も増大して400馬力空気圧縮機を4台運転し続けなければ坑内の気圧を維持できなくなった。
関門トンネル (山陽本線) 建設
こうして苦闘していた12月22日の7時23分ごろ、停電事故が発生した。門司側の給電を行っていた九州電気軌道の砂津 - 大谷間の送電ケーブル焼損によるものであった。当時、10分間停電すると坑内圧の低下により致命的な大事故の発生する危険がある状況であったが、幸い7分で送電が復旧し、トンネルが大事故に見舞われることを辛うじて回避することができた。送電ケーブルは2回線あるうちの1回線が焼損事故で失われ、九州電気軌道では残り1回線で送電を継続し、一般電力を制限してまでも工事現場への供給維持に努めたが、送電線の容量を超過しており、いつ再度の事故を引き起こすかわからない状況であった。送電ケーブル修理の特殊技術者を飛行機で招いて復旧工事に努めたが、復旧完了には日数を要する状況であり、停電の危険のある状況で空気圧縮機を多数稼動させ続けなければならないほどの漏気状態を放置して掘削工事を続けるわけにはいかなかった。このためシールドの推進は一時的に中止し、漏気対策工事を実施することになった。
関門トンネル (山陽本線) 建設
まずシールドの前面に粘土を貼りつける作業を行い、切羽からの漏気を防止した。これにより漏気量は毎分約1万7,000立方フィート（約481立方メートル）から毎分約6,000立方フィート（約170立方メートル）まで減少した。またシールドの前面、下関方の底設導坑、および試掘坑道からボーリングを行ってセメント注入作業を行った。船舶事故による海底の損傷個所からの空気漏洩は激しく、海面が白く泡立ち、一時は関門トンネルが崩壊に瀕しているとの流言が飛ぶほどであった。この場所に新たな被覆を行うことにしたが、当初は漏洩する空気に妨害されて投入した土俵が踊って流されてしまい、効果を発揮しなかった。シールド前面の粘土貼り作業により漏気量が減ったため、ようやく投入作業が順調にいくようになり、所定の被覆作業を完了した。
関門トンネル (山陽本線) 建設
1941年（昭和16年）2月24日から、第901輪環の作業が再開された。引き続き湧水と漏気は見られたが、セメントや薬液が回っていたため湧水が多くなっても崩壊することがなく、このため湧水の増加を許容する代わりに坑内気圧を下げて漏気量を減らすことができた。3月に入り再び岩盤の層が下部から現れ、3月18日には第935輪環において全断面が変成岩の中に入って、ようやく難関を突破することができた。シールド側は圧気をかけていたため、下関側との貫通に備えて下関側の底設導坑にも気閘を設置した。シールド切羽から底設導坑を先進させ、3月30日にボーリングにより下関側と貫通した。測量したところ、高さに差はなく、左右方向に約15センチメートルの差が生じていた。4月5日に第951輪環の推進を行い、下り線トンネルにおけるシールド工法が終了した。シールド推進完了後、シールドマシンの外側の部分は埋め殺しにしたが、内部の環片組立機やジャッキ類などは撤去を行った。
関門トンネル (山陽本線) 建設
下関方からの底設導坑は、511K139Mまで掘削して打ち切ってあった。残りの区間はシールドを使用しなくても圧気工法で掘削できる見込みが立ったため、門司方からのシールドは511K140M付近で打ち切った。シールドの停止後、門司方から今度は頂設導坑を掘削し、下関方から掘削した底設導坑の上を掘り進んでいった。下関方の気閘は511K110Mに建設されており、その上を通り越して511K104M20まで門司方からの頂設導坑を掘削した。これは厚さ2.6メートルほどの地山で圧力差を支えている状態となる。6月2日に圧気工法完了により坑内の減圧が行われた。
排気後にさらに掘削を行い、下関方との残り距離を1メートルまで短縮した。ちょうどこのころ、下関方の第三紀層地帯の掘削も隔壁を残すばかりとなっていたため、同じ日に貫通発破を行うことになった。1941年（昭和16年）7月10日9時、まず第三紀層地帯の貫通発破が行われ、続いて10時に下関方と門司方の間の貫通発破が行われた。貫通点は511K102M50であった。貫通後、切り広げや覆工などを実施するのに約3か月かかった。下り線トンネルの貫通を見届けるように、初代下関工事事務所長だった釘宮磐は8月1日付で退任して東京帝国大学工学部で指導を行うことになり、後任に星野茂樹が着任した。
関門トンネル (山陽本線) 建設
この時点ではまだ門司方の潜函工法の区間が完成しておらず、潜函工法区間の最後の隔壁が貫通して関門トンネル下り線の全区間がつながるのは1942年（昭和17年）3月27日であった。シールド工法部の竣功は3月29日となった。
トンネルそのものの土木工事に引き続いて、軌道や電力、信号といった工事が実施された。坑内は温度の変化が少ないことから、レールはテルミット溶接により連続敷設された。両側のトンネル口から約246メートルは砂利道床で、中間の約3,122メートルはコンクリート道床である。
トンネル内では電気運転をすることになっていたため、下関方の幡生操車場から門司方の門司操車場までの間を、直流1,500ボルトで電化した。下関変電区と門司変電区にそれぞれ2,000キロワットの水銀整流器を2台ずつ設置し、中国配電および九州配電から受電した電力を変換して供給する構成とした。架線はシンプルカテナリ式であった。またトンネル内の照明と排水ポンプへの電源供給も行い、下関側の60ヘルツと門司側の50ヘルツの双方を切り替え可能な構成となっていた。
関門トンネル (山陽本線) 建設
信号は、単線自動閉塞式で設置され、運転時隔3分を前提として信号機の平均距離を650メートルとし、トンネル内に上下それぞれ5基ずつの信号機を設置した。上り線開通後は複線となる区間であるが、その後も修理などを考慮して単線用の信号設備とした。信号機の電源は、平常時は門司方から50ヘルツ電源を受電しており、予備として下関方から60ヘルツ電源を受電して、自動的に切り替わる仕組みになっていた。軌道回路は8区分されており、最長781メートル、最短125メートルとされた。
関門トンネルの建設に合わせて、関門地区の輸送体系の抜本的な改良が構想された。従来の行き止まりの下関駅と門司駅の周辺は、多数の乗換旅客によって繁栄しており、そうした地域事情を考慮して、貨物列車と一部の直通旅客列車のみ関門トンネルに直通させ、ほかの大多数の旅客列車は従来のままとする構想も当初はあった。しかしそうした部分的な改良では将来に輸送上の欠点を残すことになるとして、大規模な改良を加えて関門トンネル直通列車を主体とする構想が打ち出された。
関門トンネル (山陽本線) 建設
新たな構想によれば、下関駅は従来の駅に貨物扱い設備のみを残して、竹崎町に新たに建設された高架駅に移転させる。九州側では従来の大里駅を門司駅として、関門トンネルを通る山陽本線の列車は大部分を門司駅へ直通させ、従来の門司駅は門司港駅に改称して一部の列車のみを門司港駅発着で残す。また本州側の幡生に上り貨物列車を取り扱う幡生操車場を、九州側の門司に下り貨物列車を取り扱う門司操車場を開設し、下関駅と門司駅のそばには客車の操車場と電気機関車庫を設けるという構想となった。トンネル開通を前にした1942年（昭和17年）4月1日に、門司駅を門司港駅へ、大里駅を門司駅への改称が実施された。
下り線トンネルは、1942年（昭和17年）7月の貨物営業開始、10月の旅客営業開始を目指して最終的な工事が進められつつあった。しかし1941年（昭和16年）12月には太平洋戦争が開戦している状況であり、軍部からは工事促進の厳しい圧力がかかっていた。結局、八田嘉明鉄道大臣の求めにより、予定より1か月開通を繰り上げることになった。1942年（昭和17年）に入ると、星野所長は土日も休みなく連日現場を監督して激励し、突貫工事が続けられた。4月17日に幡生操車場において竣功式が挙行され、ブラスバンドを先頭に職員がトンネル内の記念行進を行った。
関門トンネル (山陽本線) 建設
1942年（昭和17年）6月11日、EF10形31号機の牽引する4両の無蓋車と1両の有蓋車で構成された編成が、13時38分に門司駅を出発し、初めての試運転列車として関門トンネルを通過した。つないでいたのは貨車であったが、工事関係者や報道陣を乗せていた。鉄道大臣との約束に応えて、ほぼ1か月予定を繰り上げての運転開始であった。正式開通前であるが、6月20日からは臨時扱いで貨物輸送も開始した。7月1日に正式に貨物専用で開通となり、山陽本線の終点がそれまでの下関駅から、関門トンネルを通った先の門司駅に延長となった。関門トンネルの開通により、それまで1日平均185運航で貨物約1万1,000トンを運んでいた関森航路の車両航送は、7月9日限りで廃止となり、使われていた第一・第二・第三・第四・第五関門丸は宇高航路の輸送力増強のために転属していった。
関門トンネル (山陽本線) 開通の影響
関門トンネルの開通により乗換・積替がなくなり、旅客で約1時間、貨物で約10時間の所要時間短縮が実現された。費用的には、貨車の車両航送による特別運賃が廃止されることにより、荷主にとっては年間約200万円の費用節約となった。これは鉄道省にとっては逆に年間約200万円の減収を意味し、また航路とトンネル関係の資本費や年間の運営経費を考えると、航路もトンネルも年間経費は約100万円と見積もられたため、トンネル開通による誘発需要がなければ国鉄にとっては減益となる。しかし、客車も貨車も直通運用が可能となり運用効率が増すことから、直接計上できない利益があったものとされる。輸送力の点では、それまで関門地区の駅は滞貨の山で溢れ返っていたが、トンネル開通により貨物が順調に流れるようになり、滞貨が原因で出荷できずにいた産品の出荷が可能となった。
関門トンネル開通以前、関門間の連絡は第一から第五の「関門丸」で貨車航送を行っており、2月から7月にかけて発生する濃霧や激しい潮流、冬期の北西季節風による障害の中で、海峡を往来する船舶を避けながら5隻の船舶を頻繁に往復させるのは大変な労力であった。それまで、海峡を通航する船舶と海峡を横断する船舶は平面交差している状況であったが、関門トンネル開通により立体交差化が図られたことになり、事故の防止に多大な貢献をすることになった。
関門トンネル (山陽本線) 開通の影響
関門トンネルの開通は、第二次世界大戦のさなかのこととなった。下り線の開通に際しては全国的なダイヤ改正を実施して、本州と九州をつなぐ輸送体制が整備され、戦時輸送力増強のためにスピードダウンしたとはいえ史上最高の列車設定キロとなった。しかし1943年（昭和18年）以降は旅客輸送力削減のダイヤ改正が繰り返され、1944年（昭和19年）に入ると深刻な船舶不足から海運の鉄道への転換が進められ、さらに輸送事情は逼迫していった。1945年（昭和20年）になると、全国的なダイヤ改正を実施することもできなくなり、地方ごとに場当たり的なダイヤの変更が繰り返され、空襲によって青函連絡船や関釜連絡船はほとんど運航不能となる事態となった。連合軍による機雷封鎖と潜水艦攻撃により関門海峡周辺の海上輸送は壊滅的な状態となっていたが（飢餓作戦）、もともと余裕を持って設計されていた関門トンネルは、貨物輸送を終戦まで継続することができた。関門トンネルは、戦争末期から直後にかけての深刻な船舶不足の時期に、国力の維持に多大な貢献をなした。
関門トンネル (山陽本線) 開通の影響
技術的には、当時トンネルの掘削中に壁面や天井を支える支保工は、松丸太と松板を組み合わせるのが常識であったが、関門トンネルの海底部では鋼製のアーチ支保工を採用し、きわめて慎重に掘削が行われた。鋼製アーチ支保工を本格的に採用して機械式で効率のいい掘削方法を使うようになったのは、日本では第二次世界大戦後のトンネルからであったが、日本で最初の採用は関門トンネルではないかとされている。
またシールド工法についても、1920年（大正9年）の羽越本線折渡トンネル、1926年（大正15年）の東海道本線丹那トンネル水抜坑に次ぐ、日本で3回目の採用であったが、前の2回ではいずれも成功をおさめたとは言えなかったのに対して、3回目にして日本国内製造のシールドマシンを使って成功をおさめた。関門トンネルでは、おもに鋳鉄製の環片（セグメント）を使用したが、上り線の一部で鉄筋コンクリート製セグメントが用いられ、ボルト継手が採用されるなど、のちに日本で一般的に使われるようになる中子型のセグメントの原形となった。第二次世界大戦後、名古屋市営地下鉄東山線において覚王山トンネルがシールド工法で建設された際にこうした技術が受け継がれ、以降の都市トンネルの標準的な工法として発展していくことになった。
関門トンネル (山陽本線) 開通の影響
第二次世界大戦の悪条件の下で、新しい技術を駆使して海底トンネルを完成させたことは、その後の日本のトンネル技術発展に大きな貢献をすることになった。ただし、関門トンネルは世界初の海底トンネルであると触れられることがあるが、ニューヨークのイースト川は名前に川（river）とつくものの実際には海峡であり、ガスの導管を通すトンネルが1892年に最初に開通したのを皮切りに、20世紀初頭には鉄道用を含む多くのトンネルが開通している。また日本統治時代の朝鮮において太閤堀海底隧道が1932年（昭和7年）に開通しており、海底トンネルは日本の内外で先例がある。
関門トンネル (山陽本線) 運用
関門トンネルは、先に開通した下り線で1942年（昭和17年）6月11日から試運転を開始し、6月20日から臨時扱いでの貨物列車の運転が開始され、7月1日に正式に貨物用に開通した。旅客列車の運転開始は11月15日となった。当時、山陽本線の電化区間は西明石までで、九州島内の国鉄線には電化区間はなく、蒸気機関車が列車を牽引していた。しかし関門トンネルでは急勾配とトンネルの長さの条件から蒸気機関車は使用できず、幡生操車場から門司操車場までの間の10.4キロメートルが直流1,500ボルトで電化された。このために、旅客・貨物の両用にEF10形電気機関車が投入された。EF10形は丹那トンネル開通に際して開発された貨物用の機関車であった。のちに、関門トンネルで運用される機関車は塩害が激しいことから、外板をステンレス製のものに交換し、さらに耐食アルミニウム合金を使用したパンタグラフを採用し耐塩害塗装を施すなど、塩害対策に十分に気を配ることになった。
関門トンネル (山陽本線) 運用
旅客列車は、下関駅と門司駅の間の6.3キロメートルを、1両のEF10形で牽引して約9 - 10分程度で走行した。機関車1両での牽引力は600トンとされた。貨物列車については、下関の手前の幡生駅付近にある操車場を改良して、1日2,500両の処理能力のある平面式操車場とし、一方、九州側では門司駅構内に1日2,600両の処理能力のあるハンプ式操車場を建設した。これらの操車場は対になって役割を果たすもので、九州島内から本州方面への貨物列車はトンネルをそのまま抜けて幡生操車場で行先別に組み替えられて送り出され、一方本州から九州島内への貨物列車はトンネルをそのまま抜けて門司操車場で行先別に組み替えられて送り出される運用がとられた。このため、貨物列車は幡生操車場から門司操車場までの間をEF10形が牽引して走ることになった。貨物列車は重連運転（2両の機関車で牽引）とされ、1,200トンの列車を牽引した。いずれもトンネル内の急勾配と湿った線路のために空転や滑走が続発し、対策として最大5トンの死重を搭載し、大量に砂を撒いて走行していた。撒かれる砂は毎月20トンにもなり、砂を取り除く保線作業は大変なものであったという。
関門トンネル (山陽本線) 運用
運行開始された旅客列車は、東京 - 長崎間の特急「富士」1往復（第1・2列車）、東京 - 鹿児島間の2・3等急行列車第7・8列車（従来の特急「櫻」を急行化）など、1日5往復の優等列車に加え、普通列車が東京と九州の間で1日3往復、京都・大阪と九州の間で1日6往復、山陽と九州の間で1日に下り5本、上り4本であった。しかし戦局の悪化に伴い、旅客輸送は次第に削減されて貨物輸送に重点が置かれるようになっていった。終戦直前の時点では、急行列車は東京 - 門司間の1日1往復にまで削減されていた。貨物輸送の増強のため、変電所の水銀整流器が1944年（昭和19年）に増強され、EF10形の配置両数も15両から25両に増強された。さらに空襲による被災に備えて、従来の変電所の設備の一部を移設する形で、彦島に地下変電所が建設されている。地下変電所の完成は終戦後の1946年（昭和21年）3月となり、約20日間実際に運転したとされるが、10月に廃止されて設備が元の変電所に戻された。空襲対策では、1944年（昭和19年）に変電設備の被災による停電に備えてD51形蒸気機関車によるトンネル内の牽引試験が行われ、4月21日から25日にかけて貨物列車を牽引したほか、上り22パーミル勾配で1両の機関車で1,000トンの引き出しに成功したが、これが関門トンネルにおける蒸気機関車運転の唯一の記録である。1945年（昭和20年）2月1日、石炭を満載した貨物列車が上り線トンネルの上り勾配で立ち往生し、再度の発進に失敗したためトンネル内に退行したところ、連絡不足と安全確認の不徹底のため、閉塞信号により停車中だった後続列車と衝突する事故があった。
関門トンネル (山陽本線) 運用
第二次世界大戦末期に九州の電力事情が逼迫したため、中国地方から電力の送電を図ることになり、下関立坑と門司第2立坑の間の上り線トンネル内に、日本発送電の彦島変電所と新大里変電所を結ぶ22キロボルト特別高圧送電線1回線が敷設された。しかしこの回線はまもなく、12月に110キロボルト関門幹線（関門海峡を横断する架空送電線）に置き換えられ、撤去された。
関門トンネル (山陽本線) 運用
終戦直前には交通の重要施設として、本土決戦に備えて北九州高射隊の13ミリ高射機関砲4門、将校1、下士官1、兵12が関門トンネルの防衛用に配置された。一方の連合国軍は関門トンネルの破壊作戦を立案していた。1945年（昭和20年）7月31日には、沖縄の基地を離陸したアメリカ陸軍のB-24爆撃機の編隊が、下関方のトンネル入口と橋梁を爆撃する作戦を実行しようとしたが、悪天候のために中止された。1945年（昭和20年）8月5日付のアメリカ陸軍太平洋軍司令官から極東航空軍あての電文では、関門トンネルに対する爆破計画が指示されていた。これは日本船に偽装した航空機救助船4隻に各25トンの爆薬を積んで送り込み、トンネル付近に沈めてリモコンで爆破するという作戦であった。第二次世界大戦後、日本に進駐した連合国軍の中で工兵のヒュー・ジョン・ケイシー少将が、進駐直後に国鉄の現状を把握するために、当時の停車場課長立花次郎を呼び出して最初に質問したのが「関門トンネルは無事か」というもので、立花は「もちろん無事であります。関門連絡線は今日も多数の列車を走らせています」と答えたという。
関門トンネル (山陽本線) 運用
戦争が終結すると、引揚者の帰還輸送と、日本で働いていた朝鮮人・中国人の帰還輸送が開始され、そのための臨時列車が関門トンネルを通過して設定された。また、日本を占領下においた連合国軍最高司令官総司令部（GHQ）は、連合軍専用列車の設定を要求し、関東と九州を結ぶ専用列車が定期化された。1946年（昭和21年）から1947年（昭和22年）にかけて極端な石炭不足により、急行列車の全廃、二等車の連結全廃などの措置がとられて鉄道の輸送力は大幅に減少したが、それでも関門トンネルを通過して東京と九州を結ぶ輸送だけは最低限確保されていた。しかしこのころ、貨物輸送の減少もあって関門トンネルの通過列車は減少し、EF10形も一部が他の機関区に転属して、関門地区での配置数が減少した。
関門トンネル (山陽本線) 運用
もともと北九州地区の商用電源周波数は50ヘルツであり、関門トンネルに九州側から電力を供給する門司変電区の受電周波数も50ヘルツであった。しかし第二次世界大戦後、北九州地区の電力需要は増加の一途をたどり、九州島内の電力網の連系を行い、また中国地方からの受電を行うことも急務となったこともあって、1949年（昭和24年）の閣議決定で九州地方の電源周波数を60ヘルツに統一することになった。これに前後して、九州地区の実際の60ヘルツへの周波数変更作業が進められ、門司変電区の受電周波数も1948年（昭和23年）2月に60ヘルツ化された。門司変電区の周波数変更が迅速に行われたのは、もともと信号機や排水ポンプなどの電源は当初から両周波数に対応するように設計されていたこと、列車走行用の電力供給についても変圧器のみ交換すれば済んだこと、国の機関として率先して周波数変更に対応する立場であったことなどが挙げられる。一方で、関門トンネルの輸送量は低迷していたため、この機会に変電所の容量は削減され、水銀整流器が下関と門司の両方から1台ずつ1949年（昭和24年）に東海道本線電化用に静岡県の藤枝変電所と磐田変電所に移設された。1951年（昭和26年）5月に電力事業再編成が行われ、下関変電区、門司変電区はそれぞれ中国電力、九州電力から受電することになった。
関門トンネル (山陽本線) 運用
海水に常時さらされている関門トンネル内のレールは、電気車の運転電流が漏洩しやすく、電気化学的な作用により金属イオンが溶け出す電蝕が発生するという問題を抱えていた。このため戦中戦後の2回にわたり、通常は架線側がプラス、レール側がマイナスに印加されている直流1,500ボルトの電気の極性を逆転させて、レールをプラス、架線をマイナスにする極性変換試験が実施され、摩耗の軽減は見られた。また、1954年（昭和29年）に強制排流器が設置された。これは外部直流電源をレールと接地点の間につなぎ、運転電流の漏洩分を相殺してレールの電位を負にするものである。
1950年（昭和25年）6月25日に朝鮮戦争が勃発すると、九州北部の駅は朝鮮半島方面へのアメリカ軍やイギリス軍の部隊の出動や補給の拠点となり、本州方面から北部九州への軍事輸送列車が多数関門トンネルを通過することになった。この際に、それまで関門トンネルには火薬類の通過制限が設定されていたが、アメリカ軍は火薬類通過制限の無条件解除を6月28日に指令し、危険を冒して輸送が実施されることになった。
関門トンネル (山陽本線) 運用
1953年（昭和28年）の梅雨は例年になく早く始まり、特に西日本では雨が多く6月末になると4日間で600ミリを超すような60年ぶりという大雨が降った。大雨は各地に被害をもたらし、のちに昭和28年西日本水害と記録されることになった。国鉄でも、680か所に及ぶ不通箇所が発生するなど大きな被害を受けた。
関門トンネル (山陽本線) 運用
6月28日日曜日も雨が降り続いており、関門トンネルに備えつけられた排水ポンプは稼働を続けて、トンネルに侵入する雨水を排出し続けていた。11時頃、戸ノ上山の麓でがけ崩れが発生し、門司駅北側の大川を堰止めた。これによって溢れた水は、南側の田畑川から溢れた水と合流して、門司駅構内に流れ込み始めた。門司駅に設置された雨量計では、10時から12時までの間に155ミリという猛烈な雨を観測しており、この雨に川から溢れた水が加わり、門司駅からスロープ状の掘割になっている関門トンネルの門司方坑口へと流れ込み始めた。関門トンネルの掘割を囲う防水壁の第13号架線鉄柱付近にある切り欠き（壁が途切れた部分）から架線をかすめるように濁水が噴出し始め、11時頃に巡回中の門司保線区員がこれを発見して通報した。当時、京都と博多を結ぶ特急「かもめ」は、26日以来の豪雨で鹿児島本線が不通となって、上り列車を運転できずに博多に編成が取り残されており、次いで27日の下り列車で下ってきた列車も門司打ち切りとなっていたが、この門司打ち切りとなった編成を28日に上り臨時第6列車「かもめ」として運転する予定としていた。しかし、11時2分に関門トンネルへの濁流の流入の通報を受けて、「かもめ」の発車は抑止された。
関門トンネル (山陽本線) 運用
続いて、下関側に連絡して下り列車の抑止を行おうとしたが、約800名の乗客を乗せた岩国発佐世保行下り第327列車は10時57分にすでに発車したあとであった。関門トンネルを抜けてきた第327列車の機関士は、門司方の出口で防水壁の切り欠きからの落水に気づき、また公安職員の停止の指示を受けて、11時8分ごろ、トンネル出口の約70メートル手前で列車を停車させた。保線区員が土嚢を積んで切り欠きを塞ごうと試みたが、思うように塞ぐことができず落水は止まらなかった。仮に落水の中をそのまま通り抜けた場合、水流によってパンタグラフと車体の間が短絡されるか碍子の絶縁破壊を起こして電気機材や車体が焼損するおそれがあり、あるいは架線の溶断や変電所の遮断器の動作により停電して、トンネル内からの脱出が不可能になるおそれがあった。電話で指令室の指示を仰いだところ、トンネル自体の浸水を懸念したことから強行突破の指示が出され、11時17分ごろに脱出を開始した。列車が停止した場所から落水場所までは数十メートル程度しかなく、また急な上り勾配の途中で列車の引き出しは容易ではなかったこともあり、機関士はいったんトンネル内に列車を退行させた。EF10形電気機関車は車両の前後に合計2台のパンタグラフを搭載しており、このうち前部のパンタグラフを下げて、後部のパンタグラフのみから集電した状態で列車を再発進させると、勢いをつけてトンネルから出てきて、落水箇所の直前で後部のパンタグラフも下げて落水箇所を惰性で通過し、通過直後に前部のパンタグラフを上げて門司駅へ向かい、11時24分ごろに無事に到着した。
関門トンネル (山陽本線) 運用
この直後の11時30分ごろ、防水壁の上を越えて水が滝のようにトンネル内に流れ込み始めた。トンネル内各所に据えつけられた排水ポンプがフル稼働したが、11時45分ごろに上り線トンネル中央部のポンプが、11時50分ごろには門司方入口のポンプが使用不能となり、12時には下り線トンネル中央部のポンプ室の配電盤が浸水して爆発した。本線トンネルから溢れた水は試掘坑道に流れ込み、弟子待と小森江の試掘立坑底部に集まってきた。浸水により繰り返し遮断器が動作する中を変電所から排水ポンプへ強行送電が続けられていたが、ポンプ室は次々に機能を停止していき、13時5分にはポンプ室への送電が打ち切られた。ポンプ室に詰めていた職員は全員が脱出に成功した。排水機能を失った関門トンネルは急速に水没していき、上り線1,880メートル、下り線1,760メートルが水没して推定浸水量は約9万立方メートルに達した。16時すぎに浸水が止まった時点で確認したところ、トンネル全長の約3分の2が天井まで浸水しており、関門トンネルによる本州と九州の連絡は切断されてしまった。
関門トンネル (山陽本線) 運用
関門間の輸送が途絶したため、下関駅と門司港駅を結んで運航されていた関門連絡船の豊山丸、長水丸、下関丸を使って旅客・小荷物・新聞類の代替輸送にあたるとともに、支援として大島航路から七浦丸を投入した。貨物輸送については国鉄所有の船舶のほかに、汽船や漁船、機帆船なども借り上げて代行輸送を行った。かつて下関と小森江の桟橋の間で貨車航送を行っていたが、下関の岸壁は関釜連絡船の岸壁延長のために埋め立てられており、小森江の可動橋も取り外して転用したため、急に再開できる状況ではなかった。しかし、国鉄がかつて運航していた関門丸は宇高連絡船での運用が終了したあと、民間会社に払い下げられて関門海峡でカーフェリーとして運用されており、結果的に貨車からトラックに積み替えた貨物の代行輸送に役に立つことになった。
関門トンネル (山陽本線) 運用
トンネルが浸水するとすぐに、国鉄西部総支配人を長とする復旧対策本部が設置され、各地から応援の人員と機材を手配して排水復旧作業に取りかかった。まず単線での運転再開を1日も早く実現することにし、下り線を早期に開通させる方針で作業に取りかかった。試掘坑道に対しては立坑にシンキングポンプ（吊り下げ式ポンプ）を各4台、上り線・下り線の各本線トンネルに対しては下関側は坑口から、門司側は小森江の立坑からパイプを伸ばして、水面付近にタービンポンプ（ディフューザポンプ）を各2台配置して排水を行った。小森江の試掘立坑に運び込んだ最初のポンプは7月1日から稼働し始め、以降各地からポンプが届けられ、幡生の鉄道工場と現地で整備して据えつけられ、稼働し始めて行った。1日約1,300立方メートルから1,700立方メートルに及ぶ湧水があったため、当初はトンネル内の水量を減少させるには至らなかったが、多数のポンプが順調に稼働し始めるとようやく減水していった。本線トンネルは20パーミル程度の勾配であり、1メートル水位が下がると水面は50メートルも後退することになるため、受電装置・ポンプ・サクションホースを台車に載せて前進させ、後ろにパイプを順次つなぐ作業をしていった。このパイプをつなぐ作業にかなりの時間を要したため、結果的に運転時間は1日平均6 - 10時間程度であった。これに対して立坑から吊り下げたポンプは1日20 - 24時間程度運転することができた。また輸送用のモーターカーの排気により一酸化炭素が発生し、頭痛を訴える作業員も出たため、モーターカーの使用を制限したり換気装置を設置したりといった対応に追われた。
関門トンネル (山陽本線) 運用
最盛期には1,000人を超える作業員が1日3交代制で作業に従事した。下り線は7月10日に、上り線は翌11日に、トンネルの天井部分がすべて見えてくる程度に減水し、下り線は12日12時に一応の排水が完了した。しかし、残りの水は試掘坑道へ排除できるものと考えていたが、試掘坑道へ通じる排水管が詰まっていたため、トンネル内の湧水により却って増水する状況であった。そこで、排水管の閉塞を取り除くと流れ出した水で吸い込まれてしまう危険があるのを顧みず、下関工事事務所の職員が汚水に潜って手探りで排水管を探り当て、詰まっていたごみを取り除いて、無事に排水を完了させることに成功した。中央部に溜まった泥や土が約60センチメートル程度あり、ポンプ室に備えられた試掘坑道への連絡パイプを通じてできるだけ試掘坑道に排除するとともに、両側の坑口からトロッコを使って搬出し、7月13日19時に試運転列車を通過させ、7月14日0時35分門司発の貨物列車第678列車から単線での運転を17日ぶりに再開した。続いて上り線では7月13日20時に排水を完了し、電気信号関係を完全に復旧させて7月17日に開通させ、一旦下り線を休止して上り線に運行を移したうえで下り線の完全整備を実施し、7月19日8時31分に複線での完全復旧を完了した。
関門トンネル (山陽本線) 運用
本線のトンネルが復旧した時点ではまだ試掘坑道の排水は終わっておらず、さらに本線トンネルに設置のポンプが未復旧であったため、トンネル内の漏水や線路・電線の洗浄に使った水が流れ込んで、むしろ水位が増える方向であった。表面の水をポンプで吸い上げてはドラム缶にヘドロを詰めて立坑から運び上げるという作業を昼夜三交代で継続し、ようやく8月20日に試掘坑道も復旧が完了した。
国鉄は列車の運行を優先し、11時20分に最後の列車が通過するまで門司方の線路上に土俵による防水壁を築くことができずにおり、これがのちに衆議院運輸委員会で問題にされることになった。一方、第327列車の機関士、トンネルの浸水を発見した保線区員、現場で機関士と運転指令の間の連絡にあたった公安職員2名の計4名が8月31日に「緊密な連絡と臨機の処置により列車の重大事故を未然に防止した」として長崎惣之助日本国有鉄道総裁から国鉄総裁表彰を受け、さらに機関士と保線区員の2名は10月20日に「本年六月の風水害に際し生命の危険を顧みず公務遂行に当たりその功労は特に顕著である」として吉田茂内閣総理大臣より総理大臣表彰を受けた。またトンネル中央部の汚水に潜って排水管閉塞を解決した下関工事事務所職員は、2003年（平成15年）になって叙勲を受けている。
関門トンネル (山陽本線) 運用
水没事故の経験を生かし、門司方の防水壁はさらに1メートル高くされ、トンネル入口のポンプは従来の約2倍の能力に増強された。浸水を防止するためにトンネル入口には鉄製の防水扉が取りつけられ、トンネル内のポンプも地上から操作ができる強力なポンプに取り替えられるなど、浸水対策が強化された。また、毎年6月には総合的な水防訓練が実施されるようになった。なお、この水没事故後の1961年（昭和36年）の変電所無人化に際して、運転電流と事故電流を高精度で弁別（区別）して送電を停止する故障選択継電器と、事故時に並列饋電している隣接変電所の遮断器を同時に開放する連絡遮断装置が導入されたため、同様の事件が再度発生したとしても、遮断器が動作して停電することになり、第327列車のように落水箇所を強行突破することは不可能となっている。
関門トンネル (山陽本線) 運用
上り線トンネルの建設時に工事事務所長を務めていた星野茂樹は、水没事故時は民間企業の顧問となっていたが、トンネル開通から10年が経ってちょうどいい機会であるとして、門司鉄道管理局の根来幸次郎施設部長に連絡して、排水作業の傍らで水を流してトンネルの大掃除をさせた。当時の吉田朝次郎所長は何事かと怒ったものの、関係者は「星野さんの命令」としてそのまま掃除を続行したという。さらに根来施設部長は、トンネル再開後の最初の試運転列車の先頭に乗って、特級酒を全線に振りかけたという。またこの水没事故は、関門トンネル開通10周年を記念して門司方坑口に「道通天地」（道は天地に通ず）という銘板を取りつけた直後であったため、「天と地がつながって空からもらい水をした」などと皮肉を言われることになってしまった。
関門トンネル (山陽本線) 運用
第二次世界大戦後は、石炭の節約の観点から国鉄の主要幹線の電化を推進する方針となった。しかし連合国軍最高司令官総司令部（GHQ）の民間運輸局（CTS）は、戦災復興を優先するべきという理由で電化の推進に否定的な態度を取り、占領期には電化はあまり進捗しなかった。1951年の主権回復の4年後の1955年（昭和30年）9月26日に発足した日本国有鉄道電化調査委員会では、早急に主要幹線3,300キロメートルの電化を推奨する報告書を11月29日に提出した。これを受けて1957年（昭和32年）度からの第1次5か年計画では、第1次計画として1,665.8キロメートルの電化を推進する方針となり、この中で関門トンネルの両側にあたる山陽本線の西明石 - 幡生間、鹿児島本線の門司港 - 鳥栖間が取り上げられた。
関門トンネル (山陽本線) 運用
ちょうどこの時期、国鉄では交流電化の技術にめどをつけて採用を進める方針となっていた。国鉄の交流電化調査委員会では、交流電化の経済性を検討し、電車運転および交直接続の費用を考慮しなければ、常に交流電化が有利であると結論づけた。しかし、この検討は直流電化の技術の進歩を適切に考慮しておらず、また交流電化に必要となる建築限界の拡大に要する費用も評価されていないという問題があり、これに加えてすでに直流電化されている東海道本線の延長となる山陽本線では交直接続の費用が交流電化の経済性を帳消しにしてしまうことから、交直接続をどこで行うのがもっとも経済的かということが検討された。
関門トンネル (山陽本線) 運用
この検討の際に大きなポイントになったのが関門トンネルの建築限界の問題で、トンネルの断面は本来は設計上5,100ミリメートルの高さがあるはずであり、交流電化には大きな問題はないと考えられていたが、1957年（昭和32年）12月に実測してみたところ、戦時中の材料不足による工事方法変更の結果として短区間ではあるものの4,970ミリメートルの高さとなっている場所があることが判明した。この高さでも、特別な架線吊架方式を採用し絶縁方法を工夫することで交流電化も不可能ではないとされたが、将来的に大きな貨物の輸送に支障をきたすおそれがあった。これに加えて、関門トンネル内は海水の漏洩が激しく、直流電化においても絶縁の保持に苦労している現状があり、交流2万ボルトに変更すればよりいっそう保守が困難になるものとされた。
関門トンネル (山陽本線) 現状の施設・設備
関門トンネルの下り線トンネルは全長3,614.04メートル、上り線トンネルは全長3,604.63メートルである。海底部の延長は上下線とも1,140メートルある。また本線トンネルよりやや深い場所に、下関方と門司方の立坑の間を結ぶ全長1,322メートルの試掘坑道（通称豆トンネル）が存在し、トンネル完成後は作業用のトンネルとして使用されている。平均土被りは約11メートルあるが、建設時に粘土被覆を行った箇所では最小9.5メートルとなっている。
下関方の試掘立坑は彦島の東端の弟子待にあり、JR九州の保守作業用の出入口として使用されている。ただし、こちらの立坑にはエレベーターの設備がない。また下関方取付部の建設に際して杉田斜坑が建設されたが、完成後に埋め戻されている。
関門トンネル (山陽本線) 現状の施設・設備
門司方の試掘立坑は、国道199号の脇に所在し、昇降機の櫓が設置されており、エレベーターの使える唯一の立坑として、関門トンネルの機能を維持するための重要な施設として使われ続けている。また鹿児島本線小森江駅東側の駐車場には、立坑にコンクリートで蓋をした構造物が2か所残されている。北側にある矩形の立坑にかまぼこ形の蓋がしてあるものが下り線トンネル用の門司方立坑で、ここから下り線の海底部を掘削したシールドマシンが搬入されて発進した。南側の丸い蓋がなされている立坑が上り線トンネル用の門司方第一立坑で、圧気工法の発進拠点として用いられた。上り線トンネル用の門司方第二立坑は、試掘立坑の近くに所在したが、撤去されて残存していない。