湛江湾海底隧道（Zhanjiang Bay undersea tunnel）是广湛高铁重要组成部分，下穿湛江海湾，是全线的控制性工程。隧道位于广东省湛江市区，全长9640米，进口端位于湛江海东新区海川快线北侧李西村，依次下穿东旺大道、东城西路、柏西路湛江奥体中心停车场及龙王湾路，并于龙王湾路附近下穿进入湛江湾。

2020年6月30日，新建广州至湛江高速铁路全线开工动员会在湛江市坡头区湛江湾海底隧道始发井位置举行，这意味着湛江湾第一条海底盾构隧道开建。

2021年6月28日，广湛高铁湛江湾海底隧道“永兴号”盾构机正式始发，标志着隧道盾构主体开启穿海模式。这是中国独头掘进最长的大直径穿海高铁盾构隧道。

2022年3月18日，湛江湾海底隧道“永兴号”盾构机掘进至1400米，穿越东海堤进入湛江湾海域。

2022年5月24日上午11时许，位于湛江市坡头区的中铁十四局广湛高铁湛江湾海底隧道工程传来喜讯，穿海利器“永兴号”盾构机掘进至1000环，至此盾构机掘进入海超600米，累计进尺2000米，取得重要节点突破，正式开启海底隧道掘进攻坚阶段。

2022年9月13日，广湛高铁湛江湾海底隧道“永兴号”盾构机攻克新的技术难关，顺利穿越湛江湾主航道。

2022年12月21日，广州至湛江高速铁路湛江湾海底隧道“永兴号”盾构机成功穿越2500米湛江湾海域段，进入湛江主城区。12月，广湛铁路湛江湾海底隧道内传来捷报，“永兴号”盾构机累计掘进突破4000米，占盾构施工全长的53%。

2023年3月27日，广湛铁路湛江湾海底隧道工程“永兴号”盾构机完成“穿海”任务后正在湛江主城区地下埋头掘进，目前累计进尺已突破5000米，占盾构隧道长度的66%，距离盾构隧道贯通仅剩2.5公里。4月11日，在广湛铁路湛江湾海底隧道管片预制分部，湛江湾海底隧道管片生产总量突破3000环，完成湛江湾海底隧道管片生产总任务量约82%，为湛江湾海底隧道盾构施工不间断作业提供了坚实基础。6月24日，广湛铁路湛江湾海底隧道工程“永兴号”盾构机掘进突破6千米大关，至此距离隧道贯通仅剩1.5千米，为实现年度任务目标奠定坚实的基础。12月29日，广湛高铁控制性工程，湛江湾海底隧道已实现累计掘进超7公里完成盾构隧道施工任务的94%。

2024年2月，湛江湾海底隧道已经掘进了7484米。3月15日，广州至湛江高铁全线控制性工程之一的湛江湾海底隧道贯通。

由于该隧道穿越、临近建（构）筑物、道路、管线众多，因此，施工将面临几个重大挑战。首先，这条海底隧道开挖断面比较大，开挖直径达到14.3米，盾构管片外径13.8米、内径12.6米。其中有2.5公里是海域段，需要在海底进行施工，施工难度较大。其次，隧道所穿越的第四系地层厚，地层条件差，废弃泥浆量大，如果泥浆处置不及时，将会影响施工进度。此外，海底隧道设计行车时速为250千米，对从盾构掘进到管理拼装再到后期施工的施工精度要求较高。加上盾构掘进距离长（独头掘进7352m）、行车速度高（250km/h）等特点，施工难度大、关键技术多，当前国内外没有多少可供参考的经验。

湛江湾海底隧道全线由一台盾构机向一个方向掘进，是我国目前独头掘进距离最长的穿海高铁盾构隧道。这种长距离独头掘进，避免了海域段掘进风险，降低对地层沉降的影响，掘进效率更高。通过盾构智能化管理系统，盾构机在穿海越城中保持了地面沉降的毫米级控制。