清水トンネル
戦後の経済成長で新潟への交通量が増え、これに対応するため上越線の複線化が実施された。新清水トンネルは群馬側のループトンネル下の新湯檜曽信号場(現在の湯檜曽駅)から掘削され、途中土合駅を通り、清水トンネルとほぼ同じく土樽駅手前で地上に出るルートが取られた。
湯檜曽駅(下りホーム)は群馬側から新清水トンネルに入ってすぐの所にある。また土合駅(下りホーム)は新清水トンネル中に設けられ、地上の駅舎までは計486段の階段で連絡する構造になっている。
「岩ハネ」と呼ばれる岩盤の剥離現象に悩まされて工事は難航し、湯檜曽駅付近掘削中には温泉湧出に遭遇した。その結果、泉脈の水圧低下に伴い周辺温泉街から苦情が出たため、コンクリートで湧出部を塞いだ。難工事ではあったが、技術の進歩もあり清水トンネルの約半分の工期で完成した。
新清水トンネルの完成により、清水トンネルは上り(東京方面)専用、新清水トンネルが下り(新潟方面)専用となった。
2022年現在、JR東日本管内の在来線では最長トンネルであり、2024年の北陸本線(敦賀駅 - 金沢駅間)の経営移管後はJRの狭軌在来線で最長トンネルとなる。
土合駅内の長岡方面の下り地下ホームに進入する長岡行き普通電車(2008年1月2日)
新清水トンネル内にある土合駅下りホーム もともとは待避線があり通過待ちができる構造だったが、現在は1面1線となっている(2009年5月)
第二次世界大戦時の輸送量増強のため、上越線を含む単線の主要幹線では駅間距離が長い区間を中心に多くの信号場が設置された。清水トンネルの中間部は完成時より列車交換が可能なよう複線断面とされていたため、1943年(昭和18年)に茂倉信号場が設置された。信号場の名称は、直上にそびえる谷川連峰の茂倉岳にちなんで名づけられたものである。
後述の新清水トンネル完成後は、上り線用の追い抜き設備として用いられ、1984年(昭和59年)11月1日に廃止された。
現在も設備は温存されており、冬になると除雪のための保線車両が留置されることがある。なお新清水トンネルの中間地点にも列車交換設備を設置するための空間が存在するが、線路は敷設されておらず、清水トンネル内の茂倉信号場とも繋がってはいない。
大清水トンネル(だいしみずトンネル)は、新清水トンネルに次ぐ3本目のトンネルとして掘削されたトンネルで、上越新幹線の上毛高原駅と越後湯沢駅の間にある。1979年1月25日に貫通した。
全長22,221mは、当時世界最長だったスイス連邦鉄道(SBB、スイス国鉄)のシンプロントンネル(19,823mおよび19,803m)を抜いて世界一(1988年3月の青函トンネル貫通まで、山岳用としては2000年9月の東北新幹線岩手一戸トンネル貫通まで)となった。なお、本トンネルは上毛高原側で第2湯原トンネル(703m)・第1湯原トンネル(786m)・月夜野トンネル(7,295m)とシェルターを挟んで一体化しているため、トンネル状構造物としてはおよそ31kmが連続しており、上毛高原 - 越後湯沢間の駅付近を除いたほぼ全体を占めている。
やはり「岩ハネ」現象が多発して作業員の負傷や作業機械の損傷が続出した上、工事中には水温の非常に低い湧水に悩まされた。