関門トンネル (山陽本線)
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トンネル全体に先立って掘削する導坑のうち、トンネル断面の下部中央付近に設けるもの。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。
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。
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。
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鋼矢板、シートパイルともいう。土木建築材料のひとつで、長い板状の折り曲げ鋼板を、地面対して連続して垂直に深く打ち込んで、土留め壁あるいは止水壁とし、掘削工事を行ったときの土砂崩壊を防ぐ目的で使用する。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。
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。
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。
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。
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水の勢いを弱めるために水中に投入される石。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。
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。
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。
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。
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。
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、蛇行限界線形管理上、シールドマシンによる掘進腺が設計計画腺から外れてしまうことを蛇行といい、掘削計画の見直しをかけてシールドマシンを蛇行修正することで許容できる垂直・水平偏差の限界値が蛇行限界となる。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粘土などの軟弱な地層ではなく、岩石や土砂が堅く締まって掘削時に抵抗があるような密度の高い地層ということ。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。
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、漏気圧気工法でトンネルを建設する際に、坑内の圧縮空気が地山を破壊せずに漏れること。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捨て粘土は、地ならしのために粘土を充てる工事のこと言い表すいわゆる業界用語で、コンクリートを用いた類似用語に捨てコンがある。ここでの場合は、掘削推進先の土被り高さを確保する目的で、船体が引きずられて出来てしまった海底の溝に向かって大量の粘土を播いて被覆する工事のこと。。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、さらに純貝殻層粘土などが混ざらず、貝類の死骸が堆積してほぼ貝殻のみで出来上がった地層で、純貝層ともいう。「貝層」を参照。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。
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。
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。
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。
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、同じ日に貫通発破貫通発破は、トンネルの坑道を貫通させるために行う発破のこと。発破とは、坑道掘進の切羽面に数本のダイナマイトを特殊な配置で仕掛けて爆薬を点火し、岩盤を吹き飛ばして破壊すること。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現在の北九州貨物ターミナル駅の位置にかつて所在した、九州の貨物輸送の玄関口を担う、日本国有鉄道時代の貨物列車の操車場。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、単線自動閉塞式停車場間の単線区間を複数の閉塞区間として区分し、各閉塞区間の入り口に列車の進入を許可する閉塞信号機を設けて、列車が通過することによって自動的に線路の閉塞と信号の制御を行う方式。「閉塞 (鉄道)#自動閉塞式」を参照。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。
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。