Hầm Thần Vũ được xác định là một trong những hạng mục khó khăn, phức tạp nhất trong các hầm xuyên núi trên cao tốc Bắc – Nam. Việc chống thấm được triển khai lắp đặt để ngăn chặn sự xâm nhập của nước ngầm vào kết cấu vỏ hầm, đảm bảo sự an toàn của các thiết bị điện và các thiết bị điều khiển giao thông, tăng tuổi thọ công trình. Chống thấm hầm được lắp đặt giữa lớp bê tông phun và bê tông vỏ hầm, bao gồm hai lớp: Lớp ngoài là vải địa kỹ thuật không dệt, lớp trong là màng chống thấm.

Tháng 7/2024, Vĩnh Hưng đã hoàn tất thi công chống thấm với khối lượng 2,3km (65.000m2) trên cả nhánh trái và nhánh phải hầm.