כבר בימי המנדט עלה הרעיון לסלול מסילה לאורך נחל איילון לצורך שיפור רשת המסילות בארץ ישראל[דרוש מקור].
תכנון המסילה החל בשנת 1956[1].
ב־1970 הוקמה "חברת נתיבי איילון" בבעלות שווה של ממשלת ישראל ועיריית תל אביב. שב-1973, הציגה את תוכנית נתיבי איילון לכביש מהיר, רב־נתיבים שיחצה את האזור המטרופוליטני של תל אביב רבתי מצפון לדרום לאורך נחל איילון, ויחבר את רשתות הכבישים הבין־עירוניים לירושלים, לחיפה ולאשדוד. במסגרת הפרויקט הציגה החברה גם תוכנית לבניית מסילות רכבת במקביל לכביש. מסילות אשר מיועדות לקשר את רשת המסילות הצפונית בישראל עם רשת המסילות הדרומית (עד בניית מסילת איילון, תחנת הרכבת תל אביב מרכז הייתה זו תחנת קצה של מסילת החוף לכיוון חיפה, ותחנת הרכבת תל אביב דרום לרכבות מירושלים, רחובות ובאר שבע). כמו כן תכננו המסילות לשמש כמערכת תעבורה להסעת המונים לכל האזור המטרופוליטני של תל אביב עם שלוחות בין-עירוניות. בתכנון מ-1973 נלקחה גם בחשבון האפשרות שבעתיד יוסטו מי האיילון לים התיכון, דרך יפו, ועל ידי כך יפונה תוואי התעלה לשירותים תחבורתיים נוספים[2].
העבודות בפועל החלו רק ב-1990 לאחר העתקת רציפי תחנת הרכבת תל אביב מרכז ממקומם המקורי[3], בצמוד לצידו הצפוני של אולם הנוסעים, אל ערוץ נחל איילון והמשכת המסילות ממנה דרומה (עד אז זו הייתה תחנת הקצה של מסילת החוף)[4]. המסילה נפתחה ב-1993 כמסילה כפולה, ושירתה את הקווים מתל אביב לרחובות, אשדוד, וירושלים. לאורך המסילה הוכנה תשתית לשלוש תחנות רכבת עתידיות מתחת לגשרי הרחובות השלום, יצחק שדה וההגנה. נכון לעכשיו אין תוכניות להקים את תחנת הרכבת תל אביב יצחק שדה.
עם פתיחת הקו הפרברי לראש העין בשנת 2000 (שהוארך מאוחר יותר אל כפר סבא) החל להיווצר עומס על המסילה הכפולה שהגיע בשעות השיא ל-8 רכבות בכל כיוון בשעה. על מנת להוסיף רכבות נוספות וקווי שירות נוספים היה צורך במסילות נוספות. ב-2001 הוחלט להוסיף מסילה נוספת ולהרחיב את כל התחנות לאורכו. העבודות החלו ב-2002 וכללו הוספת רציף אחד בתחנת הרכבת תל אביב השלום ושני רציפים בתחנת הרכבת תל אביב מרכז ובתחנת הרכבת תל אביב ההגנה[7]. לשם הרחבת תחנת הרכבת תל אביב השלום הוסטה התעלה בה זורם נחל איילון מזרחה כך שחלקה עובר מתחת לנתיבים של נתיבי איילון צפון. המסילה השלישית והרציפים הסמוכים לה נכנסו לשימוש ב-2 בספטמבר2006, ומאפשרים מעבר של עד 14 רכבות בשעה בכל כיוון[8].
במאי 2005, המליצה חברת ההנדסה האמריקאית PB (חברת הבקרה החיצונית של רכבת ישראל מטעם משרד האוצר) על הקמת מסילה רביעית באיילון, כדי שהרכבת תוכל לעמוד ברמות הביקוש הצפוי (לפי התחזיות אז, בשנת 2010 יסעו ברכבת כ-60 מיליון נוסעים וב-2020 - יותר מ-110 מיליון נוסעים)[9]. במרץ 2006, אושר תקציב של כ-2 מיליארד שקל[10], על סמך אומדן של חברת הבקרה[11]. אך הביצוע התעכב עקב מחלוקת על הטיית תוואי נחל איילון[12].
מסילת האיילון הנמתחת לצד תעלת האיילון, לתוכה הוסללו מימי נחל איילון במהלכו בתחומי תל אביב ורמת גן, יחד עם המסילה הכפולה מתחנת הרכבת תל אביב דרום תפעולית עד מחלף גנות מהווה חסם מסילתי ברשת המסילות הארצית - כ־75% מהשירות הרכבתי בישראל מתנקז לציר איילון שקיבולתו שלוש מסילות בלבד, עבור רכבות מהירות ורכבות פרבריות. על מנת לשחרר את צוואר הבקבוק ולהגדיל את נפח התנועה יש צורך בהוספת מסילה רביעית. כדי למנוע את עליית מפלס מי התעלה, ששטחה יצומצם עם הוספת מסילה, והצפת גוש דן במי נגר עילי כתוצאה מגשמי חורף, יש להטות חלק או את כל מימי נחל איילון לנתיב אחר או לוסת את זרימתם טרם הגעתם לתעלת האיילון ולהשתמש בשטח התעלה להקמת המסילה הנוספת ורציפים נוספים[15]. מספר חלופות ניקוז הוצגו למשרד התחבורה ורשות ניקוז ירקון (האחראית גם על האיילון) וחברת נתיבי ישראל:[16]
להזרים את מי השיטפונות לים בצינור תת־קרקעי.
להקים אתרי אגירה של מי שיטפונות במעלה הנחל ובפארק אריאל שרון בכניסה לתל אביב
להכשיר שטח במקווה ישראל שאותו ניתן יהיה להציף במי שיטפונות
לנצל שטחים בשלוש מחצבות מודיעין, נטוף ומפעל נשר ברמלה, במעלה האיילון לאגירת מים. המים במאגרים אלו יחלחלו בחלקם לקרקע וכך יוכלו לתגבר את מאגרי מי התהום הטבעיים.
מורכבות הפרויקט ועלותו הביאו לדחיית ההחלטה לשנים רבות[17].
באפריל 2018 אישרה הוועדה לתשתיות לאומיות תוכנית תשתית לאומית ("תת"ל) 33, אשר במסגרתה מתוכננת מסילה רביעית באיילון החל מקטע תחנת תל אביב מרכז ועד לוד (ביצוע בפועל עד גנות)[18], והעבודות בפועל החלו ביוני 2019[19]. הצפי להשלמתה הוא ב-2028–2029 ועלותה המשוערת כ-5.5 מיליארד ש"ח. מלבד המסילה הרביעית היא כוללת גם את עבודות הניקוז הנרחבות, רציף נוסעים נוסף בתחנות ההגנה והשלום ושני רציפים נוספים בת"א מרכז, מחלף מסילתי מדרום לההגנה, תוספת ושינוי תנוחת נתיבים בכביש 1 בין מחלף חיל השריון לגנות. עוד קודם לסיום הפרויקט מתוכנן עד 2023 להחליף את מערכת האיתות והבקרה של הרכבת מה שיאפשר להגדיל את נפח התנועה במסילות איילון עד כדי 17 רכבות בשעה.
בסוף מאי 2020 החלה חברת נתיבי ישראל בקידוחים והתקנת כלונסאות באפיק הנחל כדי לחזק את הקרקע ולהקים גשר שעליו תעבור המסילה במקטע ההגנה - סבידור.
בחודש אוקטובר 2021 הוכרזו הזוכות במכרז של נתיבי ישראל, להקמת מפעל ניקוז לטובת המסילה הרביעית באיילון[20].
במסגרת פתרון בעיות הניקוז יוקמו בפארק אריאל שרוןאגם מלאכותי וסכר חכם שיווסתו את זרימת הנחלים לתוך תעלת איילון. תעלת האיילון תועמק ותקורה ומעליה תמתח מסילת הרכבת הרביעית והתשתית החשמלית עבורה. מיזם הניקוז עתיד להסתיים ב-2026 ועלותו המשוערת כחצי מיליארד שקלים.
בפברואר 2022, הושגו הסכמות בין רכבת ישראל לחברת נתיבי ישראל, בנוגע לחלוקת העבודה בין שתי החברות בפרויקט. ההסכמות התגבשו לאחר חילוקי דעות ארוכים בין שני הגופים, אשר במהלכם הועברו חלקים שונים מהפרויקט בין שתי החברות, דבר אשר עיכב את העבודות. לדברי אנשי משרד התחבורה, הפרויקט שהיה מתכונן להסתיים ב-2026, יסתיים ב-2028[21].
במסגרת הפרויקט מוקם בכל שנה סכר זמני בסמוך לפארק ראש ציפור אשר מונע את זרימת המים מכיוון נהר הירקון לכיוון נחל איילון וכך מתבצעות עבודות חיזוק הקרקע של תעלת האיילון באמצעות קידוחי כלונסאות בקרקע.
המסילות התת-קרקעיות
בדצמבר 2012, צוות שמינה משרד התחבורה ועסק בתוכניות להגדלת מספר הנוסעים ברכבות, הגיש לשר התחבורה את המלצותיו לפיתוח אסטרטגי של התשתית המסילתית, הכוללת שתי מסילות מהירות נוספות בתוואי האילון (חמישית ושישית), שיחפרו במנהרה תת-קרקעית באורך כולל של כ-26 ק"מ בין נתב"ג אל קיבוץ שפיים, שם מתוכנן מרכז תחבורה גדול. מסילות אלו ישמשו לשירות רכבת מהיר בין הערים הגדולות ללא עצירה בתחנות ביניים[22]. באפריל 2016 החלה הרכבת בתכנון שתי המסילות התת-קרקעיות. שתי המסילות נחוצות כדי לעמוד בביקוש הנסיעות לרכבת, שצפוי להגיע בשנת 2040 ל-300 מיליון נסיעות בשנה[23].
בינואר 2019 קיבלה חברת נתיבי ישראל את האחריות לקידום המסילות התת-קרקעיות[24].