水泉湾隧道位于朔(州)黄(骅)铁路线上，电气化双线断面，全长4 925 m。隧道通过地区为滹沱河右岸高纵阶地，出口段为第四系上更新统冲积层，主要是卵石土，长达200 m。洞身穿越地层为奥陶系灰岩和泥质条带灰岩，寒武系泥质长带灰岩、页岩和粉砂岩，长城系白云岩。褶皱、节理十分发育。隧道围岩Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类分别占隧道总长的4%、45%和51%。洞身与白家庄向斜正向交会，为一主要储水构造，地下水丰富。隧道涌水量约每昼夜30 000 m3。
水泉湾隧道采用进、出口和中部横洞的施工方案。由于地形条件限制，横洞位置偏离隧道中部，距隧道进口3 239 m。横洞总长约160 m，断面为高6 m、宽6 m。隧道进口至横洞3 239 m是整个隧道施工工期的控制部位。
隧道开挖在Ⅱ类围岩中采用上、下半断面分部进行；在Ⅲ类以上围岩段主要采取微台阶和全断面法。在初期的全断面开挖施工中，钻孔采用“多功能台架”与多臂台车联合作业、人机“套打”的方式，后来全部使用“多功能台架”手持风钻凿岩。爆破使用非电系统起爆。装碴用轮式ZL40B装载机，运碴用20 t矿用自卸汽车。隧道初期支护为喷锚结构，洞口及软岩段按设计设置钢格栅支撑和钢筋网，使用潮喷机进行喷射混凝土作业。隧道铺底、仰拱混凝土作业采用左右分边，交替进行隧道衬砌作业使用洞外自动计量拌合站，熟料入5 m3运送汽车运输入泵，浇入钢模板衬砌台车。
水泉湾隧道于1997年8月正式开工进洞，至1998年10月主体工程建成，共用了1年零3个月的时间，较合同工期提前半年以上。施工过程中共出现单口月百米双线成洞23个，其中1998年4月～1998年6月进口工区和横洞工区都出现了连续3个月单口成洞200 双线m以上，全隧连续3个月成洞500 m以上。1998年一、二季度分别完成成洞1 027 m和1 638 m。水泉湾隧道从开工到完工月均成洞328.3 m。被建设和监理方评为“优质样板工地”。誉为“速度快捷，质量上乘”；被专家们称赞为“国内隧道建设史上的奇迹”。
