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関門トンネル (山陽本線)
概要

関門海峡は本州（山口県下関市）と九州（福岡県北九州市）の間にある海峡で、このうち深さの関係から西側の「大瀬戸」と呼ばれる部分に関門トンネルがある一方、もっとも海峡が狭くなる東側の「早鞆（はやとも）の瀬戸」に、ほかの関門海峡横断交通手段である国道2号の関門トンネル、山陽新幹線の新関門トンネル、高速道路の関門橋が通っている（→地理）。もともとは関門連絡船でこの海峡を横断して結んでいたが、乗換・積替の手間を省き輸送力を増強するために3回にわたって関門海峡にトンネルを建設する計画が持ち上がり、3回目の昭和初期の計画により実際に着工することになった（→建設に至る経緯）。
当面は単線の輸送力で十分であったことに加えて、工事の容易さから、単線でトンネルを建設することになり、将来輸送量が増えたときにもう1本の単線トンネルを建設して複線とすることになった。先に建設されたのは下り線のトンネルで、両側の地上と水底部との間において機関車が列車を引っ張る（牽引する）性能を勘案して、20パーミル勾配を採用することにしたが、のちに上り線のトンネルを建設した際には、海底部分での土被りを増すために一部で25パーミル勾配が採用された（→建設計画）。
事前に潜水艇による調査やボーリング調査などを実施して地質を調べたうえで、まず地質の調査や周り込んで本線の掘削箇所を増やすことやセメントの注入による地盤改良を行うため、細い試掘坑道を建設することとなった。これは1937年（昭和12年）に着工し、1939年（昭和14年）4月19日に貫通、8月5日に完成した。まだ試掘坑道を建設中であった1937年（昭和12年）12月から下り線トンネルの掘削にも着手し、門司側からは日本では3番目というシールド工法も使用して建設が進められ、それまでの２つのトンネルはいずれも技術的問題でシールド工法での掘削を工事途中で断念していたため、実質的に日本国内初のシールド工法で建設されたトンネルといえる。
1942年（昭和17年）6月11日に最初の試運転列車が下り線トンネルを通過し、7月1日に貨物列車用に開通、11月15日に旅客列車用にも開通し、まずは単線での供用を開始した。上り線トンネルについては、1940年（昭和15年）に着工が決定され、1944年（昭和19年）8月8日に開通し、下り線から上り線に列車を移したうえで下り線トンネルの改修工事を行って、9月9日から複線での運転が開始された（→建設）。
第二次世界大戦中は船舶不足に陥る中、九州・本州間の連絡に重要な役割を果たした。1953年（昭和28年）6月28日には昭和28年西日本水害により水没し、復旧には2週間ほどを要した。当初から直流電化で開業した関門トンネルは、1960年代に入ると九州島内を交流電化する方針となったことから直流と交流の接続点ともなり、門司駅構内に交直デッドセクションが設けられ、そのための特徴的な車両が通過するようになった。1958年（昭和33年）から1975年（昭和50年）にかけて、関門海峡を渡る国道や高速道路、新幹線も開通したことで並行路線が実現された。
1987年（昭和62年）の国鉄分割民営化に際しては、九州旅客鉄道（JR九州）が第一種鉄道事業者として施設を承継した（→運用）。また、日本貨物鉄道（JR貨物）がトンネルを含む区間の第二種鉄道事業者として、貨物列車の運行を行っている。
地理

→詳細は「関門海峡」を参照
関門海峡は、本州西端の山口県下関市と九州北端の福岡県北九州市の間にあり、西の日本海・響灘と東の瀬戸内海・周防灘を結んでいる海峡である。東側の下関市壇ノ浦と北九州市門司区和布刈間が早鞆の瀬戸と呼ばれる幅約600メートル程度の海峡最狭部であり、また西側には彦島があって、彦島と九州の間は大瀬戸、彦島と本州の間は小瀬戸と呼ばれる。小瀬戸は昭和初期に埋立工事が行われ、閘門で締め切られて、彦島と本州はほとんど地続きとなっている。
関門海峡を横断する橋やトンネルは、山陽本線（在来線）の関門トンネルのほかに、国道2号の関門トンネル、山陽新幹線の新関門トンネル、高速道路の関門橋（関門自動車道）があるが、在来線の関門トンネルのみ大瀬戸を通過しており、ほかの3経路はいずれも海峡がもっとも狭くなる早鞆の瀬戸を通過している。
在来線の関門トンネルは、高架上の下関駅を出て本州から彦島へ渡ってトンネルに入り、弟子待（でしまつ）から大瀬戸の海底下をくぐって九州側の小森江に渡り、門司駅構内で地上に出る。在来線の関門トンネルが早鞆の瀬戸ではなく大瀬戸を通過することを選んだのは、早鞆の瀬戸の方が水深が深く、急勾配が許されない鉄道のトンネルでは全長が長くなってしまうことや、既存の鉄道との接続の関係からである。
周辺の鉄道路線網は、本州側を山陽本線が通り、下関駅から関門トンネルをくぐって九州側の門司駅へとつながる。一方、九州側は鹿児島本線が門司港駅を起点とし、門司駅で山陽本線と合流して小倉駅へと通っている。門司港駅は当初門司駅という名前で、門司駅は当初大里駅（だいりえき）という名前であったが、当時、国際貿易港でもあった「門司」が全国的にも著名であったため、1942年4月に改称された。また、関門トンネルの九州側の接続部が大里駅構内となったため、その支障移転により大里駅は600メートルほど小倉方の現在地に移転している。大里駅構内にあった機関庫もこれに合わせて現在の北九州貨物ターミナル駅付近に機関区、客貨車区、操車場とともに整備され、移転した。
建設に至る経緯 > 船舶による連絡

山陽本線を建設した私鉄の山陽鉄道は、1901年（明治34年）5月27日に馬関駅（1902年（明治35年）6月1日に改称して下関駅）までが全通した。この時点での下関駅は、細江町に所在していた。一方、九州の鉄道網を建設した初代九州鉄道は、これより前の1891年（明治24年）4月1日に門司駅までを開通させ、九州地方一円に順次鉄道網を張り巡らせていった。
山陽鉄道ではこの間の連絡を図り、鉄道がまだ徳山駅までの開通だった1898年（明治31年）9月1日から、山陽汽船商社を通じて徳山 - 門司 - 赤間関（下関）間の3港間連絡航路を開設した。鉄道が馬関まで伸びると、山陽鉄道は直営で馬関 - 門司航路（関門連絡船）を開設し、本州と九州間の鉄道同士の連絡を行うようになった。
鉄道国有法により山陽鉄道は1906年（明治39年）12月1日付で国有化され、関門連絡船も国有鉄道による運行となった。1907年（明治40年）7月1日には九州鉄道も国有化され、関門連絡とその前後の鉄道はすべて国有鉄道が運営するようになった。
関門間を通過する貨物輸送は、埠頭に引き込んだ貨物線に貨車を入れ、貨車から貨物を取り出して艀に積み替え、対岸へ艀を曳航して、再び貨車へ貨物を積み込む作業で行われており、積み替えの荷役費や荷造費、貨物の破損の損害などは多額に上っていた。このころ下関で海運業を営んでいた宮本高次という人物は、若いころにアメリカに渡って働いた経験があり、そのときに現地で鉄道の貨車を船に搭載して運ぶ「貨車航送」の様子を見たことがあった。そのためこれを日本に持ち込もうと考え、山陽鉄道およびその後継の国有鉄道に出願し、宮本が請け負って貨車航送を行うことになった。貨車航送では、貨車をそのまま船に搭載して対岸に渡すため、貨物の積み替えに伴う損害から解放され、積み替えの都合上取り扱いが制限されていた長尺物・石炭・砂利も取り扱えるようになり、連絡時間も大幅に短縮されることになった。1911年（明治44年）3月1日から日本で最初の貨車航送が開始され、9月末日限りで従来の積み替えを伴う輸送を全廃した。
貨車航送に伴う利便性の向上は著しく、輸送量は航送開始前の半年で貨車数にして下り4,762両、上り4,762両相当の貨物輸送であったのに対して、航送開始後の半年では下り8,987両、上り8,823両相当の貨物輸送に増加した。請け負う宮本は貨車1両の航送あたりで受け取る作業料で利益を上げ、国鉄側にとっても宮本に払う請負料は関門間の貨物運賃より安かったため純利益が出ており、さらに荷主に支払う貨物損傷の補填費用が不要となり、貨物輸送の増加や貨車の両岸での融通が可能となるなど、多大な利益を得ていた。荷主も貨物の損傷や紛失の減少に喜んだ。その後、請負に伴う不便もあったために宮本から設備一切を国鉄が買い取って、1913年（大正2年）6月1日付で貨車航送を国鉄の直営とした。この貨車航送は、九州側では小森江付近に発着しており、門司に発着する旅客用の関門航路と区別して関森航路（かんしんこうろ）と呼ばれた。
→「関門連絡船」も参照
関門航路（関森航路）の小森江桟橋の可動橋。貨車を連絡船に積載している
1929年の門司駅、後の門司港駅
建設計画 > 建設担当

関門トンネルの建設は、基本的に鉄道省およびその後継省庁の直轄施工で行われ、下関側の取付トンネルおよび門司側の取付トンネルのうち開削工法を採用した区間についてのみ請負で実施した。工事実施のために1936年（昭和11年）7月15日に下関改良事務所が設置され、以降1939年（昭和14年）8月30日に下関工事事務所、1942年（昭和17年）11月1日に下関地方施設部と順次改称された。その傘下で、下関側からの工事を担当したのが弟子待出張所、門司側からの工事を担当したのが小森江出張所である。請負に付された下関側取付トンネルは間組、門司側取付トンネル開削工法区間は大林組がそれぞれ担当した。
建設計画 > 地質

ボーリング調査、弾性波調査に加えて、試掘坑道を掘って確認された海底部の地質は以下の通りである。下関方試掘坑道から100メートル付近までは輝緑凝灰岩が分布し、そこから260メートル付近までは花崗岩となっている。花崗岩と輝緑凝灰岩の接触部は接触変質しており、接触面から10メートルほどは輝緑凝灰岩が黒雲母片岩に変化している。花崗岩のうち、200メートル付近は厚さ約20メートルほどの玢岩が貫入している。260メートル付近から厚さ約15メートルの断層破砕帯があり、そこから先は礫岩、砂岩、頁岩などの水成岩（堆積岩）などとなっている。この地層は420メートル付近まで続き、再び約20メートル幅の断層破砕帯を挟んで輝緑凝灰岩層に入る。この輝緑凝灰岩層は、門司側にある花崗岩層の影響を受けて変質している部分がところどころにあり、また玢岩の貫入も見られる。門司方に近づくにつれて次第に玢岩の方が主体となっていく。910メートル付近からは花崗岩層となり、この層もところどころ玢岩の貫入が見られる。
建設計画 > 建設基準

鉄道省内に設けられた技術委員会では、トンネルの最急勾配を20パーミルとすることが適当であるとした。これより勾配を緩くすると前後の取付線路の接続に困難をきたす一方で、これより勾配をきつくすると運転に必要とする機関車の数が増大して不経済となるためで、工事費や運転速度、所要両数などを勘案して決定された。ただし、下り線トンネルの施工経験を踏まえてのちに建設された上り線トンネルでは、施工が困難な下関側の第三紀層地帯の突破のために被覆を増す必要があるとして、最大25パーミル勾配が設定された。
トンネルの工法は、海底下を通常通りに掘っていく普通工法を採用することになり、地質に応じて圧気工法またはシールド工法を併用することにした。これは、関門海峡は潮流が激しく船の通航も多いうえに、海底が掘削の困難な岩盤となっていることもあり、海上からの作業（沈埋工法）は困難であると判断されたためである。
単線トンネルと複線トンネルを比較すると、複線トンネルは断面積が大きくなり、断面の直径に対応して海底との距離を大きくしなければならなくなるため、海底下より深い場所を通ることになり、トンネル総延長が長くなるとともに前後の既存路線への取付に影響する。また施工自体も単線トンネルの方が複線トンネルに比べて容易であり、さらに完成後トンネル内で列車脱線などの事故が発生した場合に、単線トンネル2本であればもう1本のトンネルで単線運転をすることができるが、複線トンネルでは全面的に運転不能となるおそれがある。これに加えて当面は単線の輸送力で十分であったことから、単線トンネルを採用することにした。のちに必要となった時点で追加の単線トンネルを施工して複線とすることになった。また当初から電気運転をすることが想定された。
建設計画 > 工法

地質調査の結果、区間ごとに以下の工法が採用された。
なお以下の記事・図・表においては、山陽本線神戸駅起点でのキロ程を用いて位置を表記し、たとえば508キロメートル881メートル20センチメートルを 508K881M20 と略記する。キロ程については、1934年（昭和9年）12月1日に麻里布（のちの岩国） - 櫛ケ浜間で岩徳線が開通してこちらが山陽本線となったため、関門トンネル着工時点では下関駅の神戸起点のキロ程は507.6キロメートル、1942年（昭和17年）4月1日付で実施された下関駅の改キロ後は507.0キロメートルであった。1944年（昭和19年）10月11日に再び山陽本線の経路は元の海側を周る柳井経由の線路に戻され、下関駅のキロ程は528.7キロメートルになった。この結果、たとえば1979年（昭和54年）作成の資料では下り線の入口キロ程は530K614Mとなっている。この記事では、工事誌に記載されている着工時点のキロ程で一貫して記載する。
まず下関方の取付区間は、地質的にもその他の点でも一般的な山岳トンネルと異なるところがないため、普通工法を採用した。
下関方の海底区間は、断層があって複雑な地質であったが、潜水艇による調査で海底が岩盤であることがわかり、弾性波調査によって各部の硬軟の程度もわかっていたことから、セメント注入で湧水を防止しながら普通工法で掘削することにした。これに対して門司側の海底区間は、地質および被覆の関係上、シールド工法を採用することにした。
最初に建設した下り線トンネルにおいては、当初海岸付近に立坑を設けてそこからシールドマシンを発進させる計画であったが、試掘坑道においてその付近の地質が予想以上に悪いことがわかり、陸上部での練習を兼ねて鹿児島本線の東側にあたる、511K870M地点から発進させることにした。門司側の坑口付近は、土被りが浅く鹿児島本線に近接していることもあり、開削工法を採用することにした。
土被りが6メートルとなる地点からは潜函工法（ニューマチックケーソン工法）を採用した。しかしシールドマシンを発進させた立坑までの最後の約146メートルの区間は、地下に玉石などがあって潜函工法の採用は困難であり、議論の結果圧気工法が採用されることになった。これに対してのちに建設した上り線トンネルにおいては、先に建設した下り線トンネルにおいて圧気工法の採用に自信を得たため、圧気工法の採用区間が長くなり、シールド工法は海底区間のみに限定された。
| 上下 | 起点側キロ程 | 終点側キロ程 | 延長 (m) | 区間 | 工法 | 備考 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 下り | 508K881M20 | 510K271M10 | 1405.14 | 下関側取付部 | 普通工法 | 重キロ15.24 mあり |
| 下り | 510K271M10 | 511K144M20 | 873.10 | 下関側海底部 | 普通工法 |  |
| 下り | 511K144M20 | 511K870M00 | 725.80 | 門司側海底部 | シールド工法 |  |
| 下り | 511K870M00 | 512K016M50 | 146.50 | 門司側取付部 | 圧気工法 |  |
| 下り | 512K016M50 | 512K216M00 | 199.50 | 門司側取付部 | 潜函工法 |  |
| 下り | 512K216M00 | 512K480M00 | 264.00 | 門司側取付部 | 開削工法 |  |
| 上り | 508K856M10 | 510K275M50 | 1419.40 | 下関側取付部 | 普通工法 |  |
| 上り | 510K275M50 | 511K145M00 | 869.50 | 下関側海底部 | 普通工法 |  |
| 上り | 511K145M00 | 511K550M00 | 405.00 | 門司側海底部 | シールド工法 |  |
| 上り | 511K550M00 | 512K017M23 | 467.23 | 門司側取付部 | 圧気工法 |  |
| 上り | 512K017M23 | 512K196M73 | 179.50 | 門司側取付部 | 潜函工法 |  |
| 上り | 512K196M73 | 512K460M73 | 264.00 | 門司側取付部 | 開削工法 |  |
建設計画 > 線形

先に建設した下り線（第1線）は、508K881M20地点を入口とし、512K480M00地点を出口として、総延長は3,614.04メートルである。トンネル内に重キロがあるため、両端のキロ程の差より全長が15.24メートル長い。縦断勾配は、510K772M地点を最低点として、両側とも20パーミル勾配になっている。下関側の入口は東京湾中等潮位を基準とする標高（以下同じ）で+1.80メートル、トンネル内最低地点は-36.39メートル、門司側の出口は-1.99メートルの位置にある。当初は、トンネル中央付近に2パーミル勾配の区間を設定する計画であったが、トンネル上部の被覆をできるだけ厚くするために途中で変更された。
のちに建設した上り線（第2線）は、508K856M10地点を入口とし、512K460M73を出口として、総延長は3,604.63メートルである。下り線建設の際に、下関側海底区間の第三紀層断層破砕帯の突破に困難を極めたことから、この区間についてシールド工法や圧気工法の採用も検討されるほどであった。しかし労務や資材の都合上普通工法で突破せざるを得ず、のちに上り線（第2線）を建設する際には、下り線工事の影響もあることから、海底との間隔が同程度では掘削の自信を持てなかった。このため勾配を犠牲にして海底との間隔を広げることにし、510K697M地点を最低点として、下関側は22パーミル勾配とした。これにより、断層破砕帯においては下り線より約4.5メートル低い地点を通過する。最低地点より門司側では、25パーミル勾配を511K100M地点まで採用し、以降は下り線と同じ20パーミル勾配で出口へ至る。下関側の入口の標高は+0.75メートル、トンネル内最低地点は-38.4メートル、門司側の出口は-1.99メートルの位置にある。
水平方向の線形は、下り列車進行方向に対して左に半径600メートルの曲線を描きながらトンネルに進入し、ほぼ直線となって海峡を横断して、門司側で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、再び直線となって出口へ至る。上下線のトンネルの線路中心線間隔は20メートルであるが、門司側で潜函工法や開削工法を採用した区間はこれより間隔が狭められている。
トンネルの断面については、普通工法区間と圧気工法区間は馬蹄形の断面で、第一号型断面を水圧に対抗するためにやや幅方向に広げ、起拱線より上で半径2.6メートルの半円として、軌条面での幅は3.5メートルである。シールド工法区間では、シールドの蛇行を最大で15センチメートルとして、内部の半径を3.0メートル、環片（セグメント）の厚さを0.5メートルとして外径は7メートルとなった。潜函工法および開削工法の区間ではいずれも、トンネル内側で幅4.8メートル、高さ5.75メートルの断面とした。
普通工法区間の断面図
シールド工法区間の断面図
潜函工法区間の断面図
開削工法区間の断面図
建設 > 地質調査 > ボーリング調査

トンネルの建設前に、関門海峡の海底に対してボーリングにより地質調査を行った。ボーリング作業は、水深が浅い場所では海底に杭を打ち込んで海面上に足場を仮設し、その上にボーリングマシンを据えて実施した。水深が深い場所では、従来は船やポンツーン上にボーリングマシンを据え付け、作業位置に錨を入れて固定して実施していたが、関門海峡の潮流は激しく到底1か所に浮足場を固定することはできなかった。そこで空気タンクを備えた鉄筋コンクリート製の櫓を建造し、タンクに圧縮空気を入れたときは海上に浮きあがって目的地まで船で曳航することができ、タンクから空気を抜くと海底に着底して櫓の上部が作業用の足場となるようにした。高さは約20メートル、重量約480トンある櫓で、1か所でのボーリング作業完了後は海峡の海流が向きを変える（転流する）時間帯を見計らって空気タンクに空気を送り込んで浮上させ、新たな作業地点へ曳航した。櫓は三菱造船彦島工場で製作された。作業に使ったボーリングマシンは、スウェディッシュ・ロック・ドリリング製のクレリウス式A-B型で、当初は日本国外から雇い入れた技術者の指導を仰いでボーリングを行った。
1919年（大正8年）から1920年（大正9年）にかけての調査では、田ノ首 - 新町線の計画経路に沿って4か所のボーリング調査を行った。続いて1927年（昭和2年）3月23日から1929年（昭和4年）7月20日までかけて、大正時代の調査とはやや異なる経路で19か所におよぶボーリング調査を行った。さらに1935年（昭和10年）8月13日から11月28日にかけて、弟子待 - 小森江線の経路を調査するため、下関側陸上2か所、海底7か所、門司側陸上6か所の合計15か所でボーリング調査を行った。この際海底ボーリングには、前回の調査後宇部沖ノ山炭鉱に譲渡されていた櫓を借り受けてきて使用した。この際は、田ノ首 - 新町線との比較であったため、実際の弟子待 - 小森江線経路上での海底ボーリング調査は4か所であった。
建設 > 地質調査 > 弾性波調査

ダイナマイトによって人工地震を起こし、その振動を地震計で記録し分析することによって地質を推測する弾性波調査も実施された。1936年（昭和11年）10月から12月にかけて、東京帝国大学（東京大学）地震研究所および鉄道省大臣官房研究所、本省建設局の3者によって海底部の弾性波調査が実施された。船からダイナマイトを海底に沈め、爆破と同時に無線でそれを通報し、弟子待と小森江に備えつけられた地震計でその揺れを計測した。また巌流島と門司の防波堤上のトランシットを用いて船の位置を測量して爆破位置を確定した。地質が堅いほど弾性波は速く、花崗岩や玢岩、変成岩などでは秒速5キロメートルを超えるが、軟らかい岩石では秒速3キロメートル程度、風化帯や土砂では秒速1.5キロメートル程度であり、測定された弾性波速度から各地点の地質を特定した。また、下関方の取付トンネルにおいても、1938年（昭和13年）3月6日から月末にかけて弾性波調査が行われ、トンネル坑口から約500メートルの地点に大きな断層があることが発見された。
一方、水中微動計を用いた調査も実施した。海底に微動計（振動を測定する機械）を沈め、門司方試掘坑道内のダイナマイトを爆破してその振動を計測するもので、1939年（昭和14年）2月6日から3月5日にかけて実施した。しかし、試掘坑道においてズリ（トンネル掘削によって掘り出される岩石や土砂）を運搬するトロッコの振動が伝わるため、坑内の作業を打ち切るタイミングと海上の潮流が収まって測定に好都合なタイミングを一致させなければならず、船と坑内の連絡がうまくいかないために測定は困難で、途中で打ち切られた。そのため、下関方で微動計を用いた調査を6月9日から36日間にわたって行った際には、試掘坑道ではなく海底にダイナマイトを据えつけて観測を実施した。これにより、510K540M付近に幅約15メートルの断層破砕帯が、510K700M付近から先に軟弱地帯があることが判明した。
建設 > 地質調査 > 潜水艇による調査

関門海峡の潮流は速く、海底に漂砂があるとは考えられなかったが、念のために西村深海研究所所有の西村式潜水艇を用いて海底の調査を実施した。西村式潜水艇は、下関市出身で当時は東京で水産業を営んでいた西村一松が開発したもので、全長10メートル弱、幅2メートル、21トンあり、魚類や水棲植物の観察を目的としたものであった。この潜水艇を借り受けて海底の調査を行うことにし、真鶴半島から17日かけて母船の第六松丸に曳航されて関門海峡へ到着した。潜水艇は、操縦士のほかには2人が乗れるだけの大きさで、3,000ワットの電灯で照らされる海中を小さなガラス窓から観察した。海流があるときは潜航できないため、調査は転流時の30分ほどに限られた。1937年（昭和12年）1月15日から2月2日までかけて潜水艇による海底調査を実施し、事前の予想通り漂砂はないことが判明した。
建設 > 工事の準備 > 下関方地上設備

下関方の作業場所は、彦島の弟子待に建設された。1937年（昭和12年）1月6日に、現地の民家を借り受けて弟子待見張所（のちに弟子待出張所）が設置され、諸建物類の建設を行って8月下旬に竣功した。各種の倉庫、労務者の宿舎、機械類の修理工場、削岩機修理工場、木工所、コンクリート混和設備などが建設された。セメントやズリの運搬には川崎車輛製の蓄電池式機関車を4両使用し、軌間は坑内・坑外ともに610ミリメートルとした。現地付近の海底が浅く浚渫も困難であったことから、ズリを船舶で運び出すことは困難とされ、現地付近でズリを処分することになった。当初は出張所敷地内の建物用地の埋立造成にズリを利用し、それが完了すると出張所から約600メートル離れた水田を埋め立てる契約をして捨て場とした。
坑内で消費する圧縮空気を供給するために、空気圧縮機を設置した。日立製作所製150馬力のものを3台設置したが、次第に空気消費量が増大したため、インガーソル・ランド製の150馬力のものと75馬力のものを順次増設した。また立坑にはエレベーターを設置した。試掘坑道用の立坑エレベーターは三菱電機製で、昇降距離55メートル、最大荷重3トン、電動機30馬力であった。下り線用の立坑エレベーターは、6トンの能力のものが必要と計算されたが、当時日本ではこの規模のものの製作が難しかった。しかし為替の都合などから輸入も難しいとされたため、三菱電機が新たに開発を行って当時の日本で最大規模のエレベーターを完成させた。昇降距離39.44メートル、最大荷重6トン、電動機60馬力のものを2組設備した。上り線用には下り線用のものを移設して使用した。
弟子待出張所は離島の彦島にあり、当時は民間の小船舶が本土との間を運航していたが、少しの時化でも欠航して不便な状態であった。機材の運搬は船に拠らなければならなかったので、弟子待出張所の海岸に桟橋を建設し運用した。
建設 > 工事の準備 > 門司方地上設備

門司方の作業場所については、試掘坑道への立坑を鹿児島本線より海岸側に設置した。当初は試掘坑道立坑付近に本線用の立坑も設置する予定であったが、試掘坑道用立坑の地質が予想外に悪かったこともあり、立坑の位置を鹿児島本線より内陸側に変更することになった。そこで、当初は試掘坑道立坑付近に仮設備を配置し、のちに一部を本坑の立坑位置付近に移設した。試掘坑道用立坑以外の門司出張所の建物類はほとんどが鹿児島本線と国道に挟まれた土地に建設されることになった。こちらにも下関方と同様に各種の倉庫、修理工場、コンクリート混和設備などが建設された。シールドトンネル内では、おもに川崎車輛製および日立製作所製の蓄電池式機関車を用い、軌間は610ミリメートルであった。大里駅から門司出張所内へ専用線を敷設し、工事用臨時列車を門司鉄道局に委託して運行してズリの搬出作業を行った。専用線内の入換作業は現場の担当であったため、入換用小型機関車を15トン機と10トン機の2両準備して使用した。ズリは門司操車場に運搬して盛土に使用した。
門司側でも下関側同様に坑内で消費する圧縮空気を供給するための空気圧縮機を設置した。試掘坑道用にはインガーソル・ランド製75馬力のものを2台設置し、本線用にはおもにシールドマシンの動作のために日立製作所製150馬力3台、インガーソル・ランド製400馬力6台、日立製作所製400馬力2台と多数の空気圧縮機を設置した。また試掘坑道用および下り線用にそれぞれ立坑エレベーターを設置し、上り線工事時には下り線用のものを転用した。小森江の海岸付近にも桟橋を造成して使用した。
建設 > 工事の準備 > 電力供給

関門トンネルの工事では、シールド工法および圧気工法を採用した区間があるため、常時多量の電力を必要とし、空気圧縮機や排水ポンプが停止する事故は避けなければならなかった。このため周辺の変電所や余剰電力の状況を調査して電力供給の計画を立てた。
第二次世界大戦後の日本では、地域別に商用電源周波数の統一作業が進められ、九州地方では60ヘルツ電源へと統一された。しかし統一作業が実施される以前は、北九州地区は50ヘルツで電力供給されており、下関側の60ヘルツと周波数の相違が存在していた。そのままでは機械の運用上不便で、試掘坑道貫通後に双方の工事現場を単一配電にして電力の融通を図ることができなくなるため、下関側の変電所に周波数変換機を設置して、工事現場はすべて50ヘルツの電源に統一することにした。
下関側は山口県電気局（のちに中国配電）、門司側は九州電気軌道（のちに九州配電）が電力供給を行った。山口県電気局側では、電力は前田火力発電所から彦島変電所を経由して3,300ボルトで受電し、工事最盛期には1,000キロワットの消費を見込んだ。九州電気軌道側では、当初は大里変電所と門司第二変電所からの受電を想定したが、最終的に小倉火力発電所および大門火力発電所から特別高圧送電線を経て鉄道省の小森江変電所で受電する方式を選択し、大里変電所および門司第二変電所からの受電は予備電源とすることにした。3,300ボルトで現場へ供給し、工事最盛期には2,000キロワットの消費を見込んだ。
下関側は彦島変電所からの1回線のみであるため、停電に備えるためにディーゼルエンジンによる非常用の発電所を受電設備に併設することになり、鉄道省営の弟子待発電所とされた。非常用発電所は、どうしても停電を避けなければならない設備である、排水ポンプ、エレベーター、坑内電灯に限って電力を供給できる容量で設計することになり、余力がある時に空気圧縮機やセメント注入などの設備に回すこととされた。試算の結果、最小限維持する必要がある設備の電力消費は191キロワットとされたため、200キロワットの発電機を予備を含めて2機設置した。ディーゼルエンジンは池貝鉄工所製、発電機および配電盤は富士電機製、付属ポンプ類は荏原製作所製であった。
建設 > 試掘坑道の掘削

諸般の地質調査により、ある程度海峡の地質は把握できており、小規模の坑道であれば掘ることができるという自信を得たため、本線坑道より深い場所に試掘坑道を先に掘削することにした。試掘坑道は、本坑掘削の前にあらかじめ地質を確認して本坑の施工計画を立て、必要に応じてセメントの注入作業を行い、また本坑工事の際の排水路となることを目的としていた。さらに可能であれば、試掘坑道から本坑に取りついて、掘削箇所を増やすことで工期を短縮することも狙い、本坑完成後は電力・通信ケーブルを収容し排水路とすることも目的としていた。この試掘坑道は、取材の新聞記者により「豆トンネル」という愛称がつけられた。試掘坑道は、下関方・門司方それぞれで立坑を掘削し、そこから海峡を横断する形で建設されている。本坑が、両側から海峡中央付近へ下って行く線形をしているのに対して、試掘坑道は立坑の位置がもっとも低くなっており、両側から海峡中央へ向かって上っていく線形となっている。これは、本坑工事中の湧水を試掘坑道に落とすことで、水が試掘坑道両端に自然に流れて、そこからポンプで排水ができるようにするためである。
下関方の立坑は、1937年（昭和12年）1月に弟子待出張所を開設するとすぐの1月7日に掘削工事を開始し、7月に掘削工事完了、11月5日に竣功した。立坑の内径は4.2メートル、深さは55.14メートルであった。工事は素掘りであり、ダイナマイトで発破をかけてズリを運び出して次第に下って行った。覆工は、途中3か所に足をつけてそこから上部へ施工していく方法で実施した。掘削量は2,250立方メートルで延べ人員6,030人を使用し、覆工量は650立方メートルで延べ人員3,040人を使用した。
門司方の立坑は、1936年（昭和11年）10月7日に着工したが、予想以上に地質が悪くて難航し、1937年（昭和12年）6月には近隣火災のために出張所の建物が類焼するという被害もあり、立坑すべての竣功は1938年（昭和13年）6月5日となった。施工の都合上、立坑の内径は上部で5.2メートル、下部で4.2メートルとし、当初は深さは43.5メートルの予定であったが、坑道縦断勾配の変更に伴い45.8メートルになった。当初、地表から8メートル付近まで素掘りを行い、以降井筒工法（オープンケーソン工法）に切り替える予定であったが、地質の悪化により地表から6.2メートルで素掘りを打ち切って井筒工法に切り替えた。井筒は内径5.2メートル、外径6.4メートルの鉄筋コンクリートで、1回に3メートルずつ沈下させた。しかし約300トンの荷重をかけて実施した8回目の沈降途中に井筒に亀裂が入り、深さ24.5メートルの位置で井筒工法は打ち切られた。以降は再び素掘りに切り替えて掘削し、1937年（昭和12年）9月30日に予定の45.8メートルまでの掘削を完了した。
試掘坑道は全長1,322メートルで、勾配は当初両側から2.5パーミルを予定していた。しかし相当の湧水が想定されたことから、勾配をきつくして7パーミルに変更した。工事中に下関方の坑道で崩壊事故が発生して進行が遅れた結果貫通点が変更され、門司方の勾配は途中で5パーミル、さらに3パーミルへと変更した。試掘坑道内は、軌間610ミリメートルの資材運搬線路を複線で敷設しさらに内径57センチメートルの換気管を設置するものとして、幅2.5メートル、高さ2.5メートル、上部を半円形とした断面で施工した。
下関方からは、立坑が完成するとすぐに1937年（昭和12年）11月18日から坑道の水平掘削を開始した。当初は湧水は少なく、全断面掘削で順調に進行した。途中、ボーリングにより前方の地質を探りながら進行した。やがて断層破砕帯に差し掛かり湧水量も増加したため、セメント注入を繰り返しながら前進するようになった。次第に湧水が増加し、地質が軟弱となってきて覆工作業を急いでいた1938年（昭和13年）10月4日4時ごろ、416メートル地点において突発的に濁水が噴出し、土砂が流出し始めた。作業員を非常呼集して流出防止の土留を設置し、次第に湧水が減少したこともあり崩壊量は約60立方メートルで済み、10月8日までに391メートル地点に厚さ3メートルのコンクリート隔壁を建設して残りの埋め戻し作業を行った。以降、ほぼ2か月かけてコンクリート隔壁内にセメントの注入作業を行った。セメント注入量のあまりの多さに海底を調査したところ、セメントの噴出物が固まった形跡が海底に見つかるほどであった。1939年（昭和14年）1月から掘削作業を再開して、セメントの周りもよく無事に元の掘削地点を通過し、土圧が大きくなるたびにセメント注入を実施して掘削を推進した。
門司方からは、1938年（昭和13年）4月26日から坑道の水平掘削を開始した。立坑から230 - 400メートルの間は湧水量も多く二段掘りにしたが、それ以外の区間は地質は良好で、全断面掘削で順調に進捗した。
1939年（昭和14年）4月に入ると双方とも順調な掘削状況となっていた。ちょうどこのころ、内務省により国道関門トンネルの試掘坑道も早鞆の瀬戸で掘削が進んでいた。4月6日の時点で、内務省の国道トンネルは残り79メートル、鉄道省の鉄道トンネルは残り189メートルとなっており、世間では国道トンネルの方が先に貫通するものと見ていた。しかし国道側は地質の悪い場所に差しかかって進捗が鈍っており、鉄道側では下関側・門司側で進行量の大きかった現場に日当の1割増しを行うとして、猛烈な巻き返しを図った。双方の現場を合わせて1日の掘削距離が19.3メートルに達する日も出た。4月17日夜半、残り約10メートルの段階で門司側からボーリングにより穴が通り、その後、下関側から掘削を進めて残りを1メートルとした。4月19日10時、東京の鉄道省大臣室から前田米蔵鉄道大臣の電鈴を合図に最後の発破を行い、試掘坑道は貫通した。下関立坑中心から569メートル、門司立坑中心から753メートル地点で、双方の坑道のずれは水平に405ミリメートル、垂直に182ミリメートルであった。国道の試掘坑道が貫通したのは、鉄道に遅れること1週間であった。門司方の試掘坑道は7月31日、下関方の試掘坑道は8月5日に竣功となった。
本線トンネルの工事に利用したあとも、排水に利用するために試掘坑道は修築のうえ存置された。すべての排水ポンプが機能を停止したとしても、本坑より低い位置にある試掘坑道に水を流すことで本線トンネルの浸水まで時間を稼ぐことができる。この当時計測されたトンネル内の湧水量に加えて、トンネル外の雨量が1時間に30ミリメートルのときに、ポンプ所に到達する水の量は下関側2.46個（1秒間に2.46立方尺＝約68.5リットル）、門司側0.17個（1秒間に0.17立方尺＝約4.7リットル）となり、試掘坑道が満水になって上り本線の軌条面まで水が達し、より高い位置にある下関側の最後のポンプが浸水して運転不能になるまで17時間かかる計算とされた。こうしたこともあり、第二次世界大戦後も引き続き試掘坑道の修築工事が行われ、二次覆工の施工、不要な待避所の埋戻し、覆工裏側への豆砂利・セメント・火山灰などの注入作業が実施された。
建設 > 下り線トンネル工事

試掘坑道が全体の5分の1程度までしか掘削が進んでいない時点で、本トンネルの掘削にも着手することになった。海底トンネルという特殊な環境下での工事で、慎重な推進を求める意見も国鉄内部にはあったが、戦時下でもあり軍部から工事促進への圧力もかかっているという事情があった。
建設 > 下り線トンネル工事 > 下り線下関方立坑

下関方立坑は510K271M地点に設置し、海底部の地質が予想以上に悪く将来シールド工法を採用しなければならなくなった場合に備えて、シールドマシンの部品を通せる寸法を考えて、内径を7メートルとした。地表面から約15メートルまでは花崗岩の風化帯、それ以下は硬質な花崗岩であった。湧水により作業を妨げられないように、あらかじめ100ミリメートル径の水抜き坑をボーリングしておき、これを試掘坑道立坑から建設した横穴に連絡させて水を抜くようにした。1937年（昭和12年）11月に地上部のエレベーター設備から準備を開始し、12月1日から掘削を開始し、翌1938年（昭和13年）2月28日に縦坑底部まで到達した。竣工は5月31日である。
建設 > 下り線トンネル工事 > 下り線下関方取付部

下り線の下関方陸上取付部は、入口から下関方立坑までの1405.14メートルで、普通の山岳トンネルと同様の施工を行った。地質は入口から約900メートルが玢岩および風化した輝緑凝灰岩、残りの約500メートルが硬質な輝緑凝灰岩であった。湧水はそれほど多くないと予想されたが、入口から下り勾配で建設するのは困難であると予想され、入口付近にはズリの捨て場として妥当な場所もなかった。一方で立坑から掘削すると海底部の工事と競合することになることから、結局509K580M付近に斜坑を建設してここから工事に着手することになった。海底部分はその性質から鉄道省の直轄施工であったが、できるだけ直轄施工は少なくする方針であったため、取付部は間組の請負工事とされた。ただし、立坑から509K880Mまでの約400メートルについては、海底区間の施工方法の試験などに用いるために直轄施工とすることになり、またそこから斜坑までは排水のために底設導坑のみ直轄施工とすることになった。
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。
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。
建設 > 下り線トンネル工事 > 下り線下関方海底部

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。
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。
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。
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。
建設 > 下り線トンネル工事 > 下り線門司方立坑

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。
建設 > 下り線トンネル工事 > 門司方開削工法部

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。
建設 > 下り線トンネル工事 > 門司方潜函工法部

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。
建設 > 下り線トンネル工事 > 下り線門司方圧気工法部

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。
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。
建設 > 下り線トンネル工事 > 下り線トンネル工事完了

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。
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。
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。