Der Tunnel ersetzte eine oberirdische Verbindung, die 1845 in Betrieb genommen wurde, um den Warenumschlag zwischen Wasser und Schiene zu beschleunigen.
Nach der Eröffnung der Eisenbahnverbindung zwischen den damals noch dänischen Städten Altona und Kiel im Jahre 1844 wurde 1876 der Hafenbahntunnel zur Verbindung des Altonaer Bahnhofs mit den Kaianlagen an der Elbe in Betrieb genommen. Der zunächst 395 Meter lange Tunnel wurde 1895 um weitere etwa 565 Meter verlängert und 1911 auf elektrischen Bahnbetrieb umgestellt. In den 1920er Jahren entwickelte sich der Hafenbahntunnel zur Lebensader der Stadt Altona. Die Altonaer Fischindustrie mit ihren Räuchereien, Fischhändlern und Konservenfabriken wurde über die Hafenbahn und durch den Tunnel mit fangfrischem Seefisch versorgt. Der Tunnel erhielt im Volksmund den Namen, unter dem er noch heute bekannt ist “ Schellfischtunnel“.
Nach dem Zweiten Weltkrieg, in dem der Tunnel auch als Luftschutzraum genutzt wurde, ging der Verkehr auf der Hafenbahn immer weiter zurück. 1978 stellte die damalige Deutsche Bundesbahn den Betrieb ein. Die Altonaer Hafenbahn wurde vom Hamburger Amt für Strom- und Hafenbau übernommen und noch bis Anfang der 90er Jahre in Regie der Stadt weiter betrieben. Zuletzt verkehrten die Züge nur noch sehr unregelmässig nach Bedarf. 1993 gab der letzte Betrieb am Altonaer Elbkai seinen Gleisanschluss auf. Der Betrieb der Altonaer Hafenbahn und des Schellfischtunnels wurde eingestellt. Der Tunnel ist seit dem ungenutzt und liegt im Dornröschenschlaf.
Nachdem 1992 der letzte gewerbliche Nutzer Transthermos seinen Betrieb verlagerte, wurde die Hafenbahn stillgelegt und der Tunnel an seinem Südportal mit einem Eisengitter verschlossen. Wegen Einsturzgefahr wurde 1998 die Achslast auf den darüber führenden Straßen beschränkt, der Tunnel anschließend saniert, da dies kostengünstiger als ein Abbruch oder eine Verfüllung war.
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