関門トンネル (山陽本線)
関門トンネル(かんもんトンネル)は、関門海峡をくぐって本州と九州を結ぶ、鉄道用の海底トンネルである。九州旅客鉄道(JR九州)の山陽本線下関駅 - 門司駅間に所在する。単線トンネル2本で構成され、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。
後に開通した国道2号の関門トンネル(関門国道トンネル)と区別するため、関門鉄道トンネル(かんもんてつどうトンネル)と呼ばれることもある。
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「土かぶり」(どかぶり)ともいい、トンネルや管路の上の土の深さを示す。これが深いと工事費が増大し、浅ければトンネルや管路の構造が不安定になる恐れがある。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た。
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。
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。
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。
このように船舶による関門間連絡が図られてはいたが、旅客にとってもいったん船に乗り換えなければならないことははなはだ不便に感じられており、また悪天候の際には連絡が途絶することも問題視されていた。
山陽鉄道が全通する以前の1896年(明治29年)秋に、博多で第5回全国商業会議所連合会が開催された際に、博多商業会議所から関門間の海底トンネルによる鉄道連絡の提案がすでになされていた。
鉄道院総裁の後藤新平は、1910年(明治43年)4月に鉄道近代化を目的として業務調査会議を設置し、その一環として第4分科で海陸連絡の検討を行った。1911年(明治44年)4月には、海峡のもっとも狭くなる早鞆の瀬戸で横断する橋梁案の検討を東京帝国大学工科大学教授の広井勇に依頼し、1916年(大正5年)3月に報告書が提出された。また比較としてトンネル案の検討を京都帝国大学工科大学教授の田辺朔郎に依頼した。田辺は実地調査の末1911年(明治44年)12月28日に関門トンネル鉄道線取調書を提出し、これに基づいてさらに鉄道院技師の岡野昇が線路選定を行って諸般の調査を行い、1913年(大正2年)1月に報告を提出した。また田辺がロンドンに出張した機会に、関門海峡の地質で水底トンネルの建設が可能かの調査を国外で行うことを委託され、帰国後1915年(大正4年)5月に工事は可能であると報告した。
広井が設計した橋梁はカンチレバー式のもので全長2,980フィート(約908.3メートル)、最大支間1,860フィート(約566.9メートル)、海面上の桁下高さは200フィート(約61.0メートル)で、橋の上には標準軌の鉄道複線、電車用の線路複線、さらに幅12フィート(約3.7メートル)の通路を2本設置する構造とされていた。活荷重についても、当時運行されていた機関車ではクーパーE30(軸重3万ポンド=約13.6トン)で充分であったが、クーパーE60(軸重6万ポンド=約27.2トン)を想定しさらに3割の余裕を見込んでいた。橋への取付は、本州側では一ノ宮駅(のちの新下関駅)の南700フィート(約213メートル)の地点で分岐して10パーミル勾配で全長2.5マイル(約4.0キロメートル)となり、九州側では大里駅(のちの門司駅)で分岐して10パーミル勾配で全長5マイル(約8.0キロメートル)と見込んでいた。総工費は2,142万6,118円と見積もられた。
これに対して岡野がまとめたトンネル案は、大瀬戸を通過するものであった。これは早鞆の瀬戸では水深が15尋(約27.4メートル)あるのに対して大瀬戸では8尋(約14.6メートル)であり、大瀬戸の方が水底トンネル掘削が容易であるという理由であった。路線は甲案と乙案の2案が選定され、いずれも下関駅の手前の山陽本線328マイル7チェーン(約528キロメートル)地点で分岐して彦島に、また彦島南端の田ノ首から南に対岸の新町に渡り、鹿児島本線の5マイル76チェーン(約9.6キロメートル)地点で合流して小倉駅に至る。甲案は乙案より水深が1尋(約1.8メートル)増加する不利があったが、九州側の線路の取付が有利であり、どちらでも大きな優劣はないとした。このほかに金の弦岬から赤坂に向かう案も検討したが、水深が浅いという利点はあるもののトンネルの水底延長が長くなり、しかも九州側での線路の取付に不利であるとされた。複線トンネルにした場合、単線トンネルに比べて線路の位置がより低い場所になり、水面下より深い場所を通らなくてはならなくなり、掘削量も増大することから、単線トンネルを前提とした。総工費は田辺により、単線で約668万6,000円、複線にすると約1,300万円と見積もられた。
このほかに、到着した列車をまるごと船に積み込んで対岸に渡す渡船案を竹崎(下関駅西側)と門司駅の間、竹崎と大里駅の間、長府串崎と大久保の間の3航路で検討したが、もともと関門海峡は通航する船舶が多く、しかも潮流が激しいところを縫って頻繁にこうした船舶を往復させることは困難であるとした。また橋を架けてその下に客貨車を運搬する搬器を吊り下げて運行する運搬橋を建設する案も検討され、線路を高い位置に持っていかなくて済む利点はあるものの、両岸の山が高くなっている関門海峡では固定された橋の建設がしやすいこと、固定橋では連続的に運行できるのに対して運搬橋では断続的な運行しかできないこと、船舶の運航と支障することに変わりがないこと、そして固定橋と建設費に大差ないと見込まれたことなどから不適切であるとされた。
こうして比較した結果、トンネルの方が橋梁よりも建設費が安く、そのうえ爆撃を受けると重要な交通路が途絶するという国防上の問題点を抱えずに済むことから、国鉄ではトンネル案を採用する方針を決定した。1919年(大正8年)度から10か年継続で総額1,816万円の予算を計上し、第41回帝国議会での協賛を受けた。そして1919年(大正8年)6月から9月にかけて鉄道院技師の平井喜久松が連絡線路の実測調査を行い、また同年7月から10月まで、および1920年(大正9年)7月から10月までの2回にわたり関門海峡大瀬戸の海底地質調査を実施した。ところが、第一次世界大戦後の物価高騰により当初の予算ではトンネルの完成を見込めなくなり、加えて1923年(大正12年)の関東大震災に伴ってその復旧に資金を割かれることになったことから、1924年(大正13年)の第50回帝国議会において大正17年度以降に新規着手する事業は後年別途予算協賛を得る方針となり、関門トンネル予算はいったん削除されてこの時点では建設が見送られることになった。
しかし、関門海峡連絡の問題は放置することができず、1925年(大正14年)には鉄道省が再び関門海峡連絡問題の検討を開始し、技師大井上前雄に命じて調査を行わせた。この際には、シールド工法だけではなく沈埋工法も検討対象とした。この結果、再びトンネル案が最良であると結論づけられ、その工法について大井上は、トンネルの強度が大きいこと、圧気中での作業含水軟弱層のように湧水のある地盤にトンネルを掘削する場合、切羽トンネル工事において坑道の先端部のこと。の近くに隔壁を設け圧縮空気を送入して、湧水圧と等しくなるまで空気圧を上げ掘削する「圧気工法」という方法がある。の必要がないこと、より浅い場所にトンネルを通すことができて列車の昇降に伴う損失が少ないこと、建設作業が海峡を通航する船舶に対して与える支障は十分軽微であるとして、沈埋工法が適切であると主張した。これを受けて1926年(大正15年)12月17日、省議内閣の各省の会議。またはその議決事項。により関門トンネルへの着工が決定された。1927年(昭和2年)1月に下関市に工務局関門派出所を設置し、さらに調査を行った。この調査では、約80万円の予算を用いて地質調査、潮流調査、船舶航行状況の調査、測量、そしてトンネル工法の比較検討が行われた。しかし今度もまた、1927年(昭和2年)より発生した昭和金融恐慌の影響もあって工事に着手することができず、1930年(昭和5年)に関門派出所は廃止された。
ところが1931年(昭和6年)になると一転して関門間の貨車航送は激増するようになり、そう遠くない時期に行き詰ることは明らかとなってきた。関門間の鉄道連絡船は、旅客輸送にはまだ余裕があったが貨車航送は限界に近付いており、下関駅構内が狭くて敷地にゆとりがないため設備の増強余地もなかった。1929年(昭和4年)時点で設備と船舶を最大限活用した場合、1日168回の運航となり年間に片道143万トンの輸送が可能であるが、1934年(昭和9年)には限界に達するものと見積もっていた。そこで再び関門トンネル建設の声が上がり、鉄道省工務局は再度研究を開始した。
1935年(昭和10年)5月27日に、当時の鉄道大臣内田信也は現地で設計を詳細に検討したあと帰京し、6月7日の閣議において予算1,800万円、4か年の継続工事で昭和11年度に着工するとの承認を得た。これに対して九州側の門司市は、かつて岡野がまとめた田ノ首 - 新町線では門司市を素通りすることになり門司市の繁栄に影響するとして、トンネルの経路を門司市寄りに変更するように求めて田ノ首 - 新町線案への反対運動を展開した。これを受けて鉄道省内で技術委員会を設けて新たに弟子待 - 小森江線の検討を行った。8月14日からボーリングにより弟子待 - 小森江線の地質調査を行い、9月28日に工務局長平井喜久松の現地調査を経て、11月25日に新しい案での建設は可能であると結論をくだした。いずれの経路でも一長一短があるものの、弟子待 - 小森江線は海底区間の延長が約400メートル短く、九州側に旅客駅を新設する必要がなく、また操車場への取付上も有利であるとした。こうして技術的な調査に政治的な配慮を加えて内田鉄道大臣は、弟子待 - 小森江線の採用を決定した。
こうして決定された経路について、「関門連絡線新設費」の名目で1,612万円の予算を計上し、第69回帝国議会において協賛を得た。翌1936年(昭和11年)7月15日に下関市に鉄道省下関改良事務所が設置され、技師の釘宮磐(元国会議員の釘宮磐と同姓同名であるが別人)が所長に任じられて、いよいよ関門トンネルに着工することになった。同年9月19日、門司側の現場において鉄道省の関係者に山口県・福岡県の県知事、下関市・門司市の市長、代議士や下関要塞司令官も参列して起工式が挙行された。
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。
ボーリング調査、弾性波調査地震探査、弾性波探査ともいう。非破壊検査方法のひとつで、地下で伝わる弾性波が、物性が異なる境界面で屈折や反射が起こる現象を利用している。具体的には、地表付近や海面付近の水中で人工的な衝撃波を起こして、反射波の到達時間を各所で計測して地下の地層構造を調査する。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輝緑凝灰岩(きろくぎょうがいがん)は玄武岩質(苦鉄質)の火山噴出物(古い時代の玄武岩、塩基性火成岩あるいは凝灰岩)が多少変質したもの。 古い時代の地層でよく見られ、シャールスタインともよばれる。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黒雲母と石英を主成分とする結晶片岩。泥質の岩石が地中深くで変成作用を受けて生成したもので、雲母片が一定方向に配列しているため、はがれやすい。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貫入(かんにゅう)とは、地下深所のマグマが、岩石の割目や、地層中に押し入って冷え固まること。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。
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第三紀層は、日本列島のかなりの部分が海の底だった新生代の第三紀に堆積した地層のこと。川が運んだ泥や砂、火山灰などが海底に堆積して、積礫岩、砂岩、泥岩の互層でできている。半固結堆積岩に分類され、もろくて粘土化しやすい性質がある。の突破のために被覆トンネル工事における被覆とは、掘削後の坑道内の土砂や岩石面の崩落や出水を防ぐために、コンクリートなどの材料で覆い被せて固めることで、その工事を覆工という。坑道の外殻構造を兼ねる場合もある。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。
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地表とトンネル(坑道)を結ぶために垂直に設けた坑道。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。
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隅田川河口の霊岩島に設けた量水標で観測した平均潮位のこと。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。