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; 長野県区間
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File:国道20号 長野県境 標札.jpg|国道20号 長野県境 標札
File:国道20号 塩尻峠付近.jpg|国道20号 塩尻峠付近
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: [[長野県]]に入っても緩やかな線形の片側1車線区間が続く。下蔦木交差点を過ぎるとすぐに、[[道の駅信州蔦木宿]]が左手に見える。茅野市に入ると交通量が増え、坂室付近で道路が集中するため朝夕の通勤時間帯の渋滞が慢性化していた。現在は、坂室峠の下に、トンネルによってバイパスを通す[[坂室バイパス]]が完成し、渋滞が以前より緩和した{{要出典|date=2016年12月}}。しかし、茅野交差点〜中河原北交差点間は旧[[国道152号]]とバイパス、現道からの流入が多い上に信号の間隔が短く2車線であるため、渋滞が慢性化している。また、諏訪市の[[上諏訪駅]]付近ではJR中央本線との踏切が2つあり、渋滞が慢性化している。ほかにも諏訪市内は比較的渋滞が起こりやすい。
:中山道と合流した後は、下諏訪町 - 岡谷市の市街地を直線的に[[塩尻峠]]へと向かう緩やかに上り坂となる。以前は[[国道142号]]から塩尻、伊那方面へ抜ける車両もここの区間で合流したため渋滞が発生しやすかったが、現在は。新和田トンネル有料道路の延伸と下諏訪岡谷バイパスの開通により緩和されている{{要出典|date=2016年12月}}。茅野市から諏訪市にかけては、軟弱地に新たに建設したため、地盤の沈降が激しく難工事であったという。現在でも上下に大きなうねりがあり、大雨の際にはしばしば冠水によって通行止めとなることがある{{要出典|date=2016年12月}}。