为了解决地层空间变异性等不确定因素极大地增加了水下交通隧道的隧道全寿命安全性能预测难度的问题，依托南京市定淮门隧道实际工程，通过统计分析获得了敏感性地层厚度的空间变异性累积概率分布函数，并考虑不同水压耦合作用效应，揭示了南线和北线空间变异性地层中隧道的差异变形及内力变化规律。研究结论表明：管片拱顶竖向位移随着粉细砂地层厚度累积概率和隧道周围水压的增大而增大；随着上覆粉质黏土夹粉砂层厚度累积概率的增大，管片最大水平位移也越来越大。总体上土层厚度的空间变异性对隧道的位移、错缝量、内力均有很大影响，不同的空间变异性对隧道的安全性影响规律不同，应引起重视，设计时若采用传统方法无法预知其风险，设计带有一定隐患。