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Le 16 mai 1915, alors que la France était déjà dans la “grande guerre”, un tronçon de 24 km, dont 6099m en tunnel, est mis en service entre Vallorbe et Frasne. Cette nouvelle ligne rendra obsolète le tracé sinueux et montagneux Vallorbe – Jougne – Pontarlier inauguré en 1875 (il sera toutefois encore exploité jusqu’en 1939 et finalement supprimé en 1942).

Le tunnel du Mont d’Or, long de 6.099 km est la pièce maîtresse de ce tronçon. Il se classe au 11ème rang des tunnels ferroviaires du réseau ferré suisse, même s’il ne fait pas à proprement parler partie du réseau suisse…

La ligne a été construite à l’origine à double voie. pendant la deuxième guerre mondiale, l’exploitation en a été suspendue à partir du 17 juin 1940 avant de reprendre le 24 janvier 1945, mais à voie unique. Le 25 avril 1958, ce tronçon sera électrifié en 25kV 50 Hz depuis Dôle, en même temps que la ligne Frasne-Pontarlier, rendant ainsi les trajet Lausanne, respectivement Bern – Paris, électrifiés sur tout le parcours.