関門トンネル (山陽本線)
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。
また交直接続箇所においては、地上切替方式を採用しないのであれば、高価な交直両用の機関車を必要とする。交直接続箇所から西側をすべて交直両用機関車で牽引すれば、機関車の総所要両数は減るが、高価な交直両用機関車の所要数が増加する。一方、交直両用機関車による牽引を交直接続箇所をまたぐ区間に限定して、西側では交流専用の電気機関車を使うものとすれば、交直両用機関車の所要数は減るが機関車の総所要両数が増加となる。しかし、関門トンネルは急勾配の長大トンネル区間であり、もともと高速運転をしないうえに、電動機に電流を流して走る時間も短く、加えてトンネル内は一定の気温であることから発熱の観点で有利になる。さらに短区間であることから蒸気暖房用の蒸気発生装置を搭載する必要もないとして、この区間に限れば交直両用の機関車としては安価な専用機関車を設計できるものとされた。
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。
完成当初、下り線トンネル内のレールは、テルミット溶接により連続敷設されていた。しかし摩耗が激しく溶接部の破断事故もあったため、上り線の開通時に通常の25メートルレールに交換された。2006年(平成18年)時点では、1メートルあたりの重量が60キログラムである60キロレールで、全長100メートルのものを使用している。海水が混入した漏水が排水溝を流れており、また湿度が90パーセントに達する条件のため、レールの腐食が早く通常の5分の1程度の交換周期でレールの交換を行っている。道床は、トンネル中央部がコンクリート道床、トンネル出入り口から下り線は約250メートル、上り線は約400メートルがバラスト道床になっている。枕木は、バラスト道床部は通常の並マクラギであるが、コンクリート道床部では関門型特殊短マクラギを採用している。下り線では25メートルあたり41本、上り線では25メートルあたり45本の枕木を敷設しており、この敷設密度の差は「下り線の成績により密にした」と記録があるだけで、理由は明らかではない。また締結装置も、関門型特殊レール締結装置を採用している。この締結装置は、一般型のタイプレートでは摩耗・腐食・折損が著しかったために改良に取り組み、1955年(昭和30年)ころからタイプレートに直接荷重をかけずに枕木に分散させる仕組みのものが開発されたものである。
関門トンネルを走行する列車への電力供給用に、下関変電所と門司変電所が設置されている。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
鉄筋コンクリート環片は破損しやすく、組み立てた後の輪環形状の修正が困難で形が狂いやすいといった欠点があり、上り線トンネルにおいて17輪環のみ施工された。
関門トンネルではシールド工法に圧気工法を併用したため、シールド工法区間の端に隔壁を設けた。想定圧力は40ポンド重毎平方インチ(約27万6,000パスカル=約2.72気圧)とした。隔壁の直径は6.44メートルで、想定圧力の時約920トンの力を受け、厚さ3メートルのコンクリートで隔壁を構築した。この隔壁を通過するために気閘(エアロック)を3組装備した。材料気閘は大型材料や資材運搬のトロッコを通過させるための気閘で、運搬車の幅0.98メートル、高さ1メートルに対して開口部を1.3メートル×1.55メートルとし、気閘内径は2.48メートル、長さは11.8メートルであった。トロッコの線路は扉の開閉のたびにはめ外しを行う必要があり、空気ピストンを利用した仕組みを準備した。作業員気閘は作業員を通過させるための気閘で、40人を収容できるものとして長さ7,800ミリメートル、内径1,780ミリメートルのものを設置した。非常気閘は、坑内の噴発や火災の事故に備えて作業員の避難用としたもので、長さ8,800ミリメートル、内径1,780ミリメートルあり、事故に備えて常時坑内側に扉を開けた状態にしてあった。また非常気閘の坑外側は2,070ミリメートルの位置で区切って扉を設けてあり、少人数の出入り用の職員気閘としても使えるようにしてあった。
前述したように、門司方海底区間ではシールド工法が採用された。シールド工法は、1825年からのテムズトンネルの建設工事に初めて用いられ、欧米諸国で次第に発展して普及したトンネル工法であった。日本では1919年(大正8年)に羽越本線折渡トンネルで初めて横河橋梁製のシールドマシンを使った掘削が行われたが、予定の300メートルを掘削できずに推進不能となり、その場で埋め殺しとなった。また丹那トンネルの建設工事の際には、水抜き坑の建設のためにシールド工法を採用した実績があった。このように、シールドトンネルの技術は日本では未熟であり、関門トンネルの工事においても当初は日本国外の業者に請け負わせるか、機械を輸入して専門の技術者を招聘するという意見も根強かった。しかし、丹那トンネルの工事を経験してトンネル工事の技術に日本の土木技術者が自信を持つようになってきていたことや、軍事上重要な要塞地帯であった関門地区の鉄道建設に対して日本国外を関与させることが望ましくなかったことから、日本の技術でシールドマシンを製作して工事を行うことに決定した。
シールドマシンの設計は、村山朔郎が担当した。村山は、1935年(昭和10年)に京都帝国大学土木工学科を卒業して鉄道省に入省した若手土木技術者で、おもにアメリカ合衆国で発行された技術文献を参考にシールドマシンの設計に取り組んだ。設計されたシールドマシンの本体は三菱重工業、シールドジャッキは神戸製鋼所、環片(セグメント)は久保田鉄工所が担当して製作した。