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北迴鐵路工程共修建22座大型橋梁與16座隧道。隧道占全線總長三分之一以上，是為關鍵的工程。為開挖隧道，進口2臺俗稱「大約翰」的開挖機（Big John Tunnelling Machine），以最新式隧道工法挖掘。但因地質複雜及颱風造成的隧道湧水現象，大約翰不時故障，最後竟陸續卡在隧道動彈不得。之後日本廠商提供技術協助，改採鑽堡機挖掘隧道。從花蓮港到新城的南端工程於1975年完工營運，主要運載水泥原料與成品；從蘇澳到新城的北端工程受天災及隧道施工影響，全線延至1980年通車。值得一提的是，長約7,740公尺的觀音隧道是當時全臺最長的隧道，也是北迴線唯一設有列車交會站的隧道。北迴鐵路除軌道工程，亦沿線建構車站，其中屬「特等站」的花蓮新站為戰後國人所自行設計建造。
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