Οι γεωλογικές και γεωτεχνικές έρευνες που πραγματοποιήθηκαν με σκοπό τον προσδιορισμό των γεωλογικών και γεωτεχνικών συνθηκών της γραμμής 4Α περιέλαβαν, μεταξύ άλλων, τη διάνοιξη 190 δειγματοληπτικών γεωτρήσεων –μαζί με την εκτέλεση πλήθους επιτόπου δοκιμών σε αυτές–, την εκτέλεση εργαστηριακών δοκιμών από τα περίπου 5.800 δείγματα που ελήφθησαν από τις δειγματοληπτικές γεωτρήσεις, την τοποθέτηση 162 πιεζομέτρων για την παρακολούθηση της στάθμης υπογείου νερού και την εκτέλεση 8 πρεσσιομετρικών γεωτρήσεων.
Από τις έρευνες αυτές προέκυψε ότι το γεωλογικό περιβάλλον του έργου διαμορφώνεται από το βραχώδες υπόβαθρο που αποτελείται από τον Αθηναϊκό Σχιστόλιθο και τη Ψαμμιτική – Μαργαϊκή Σειρά ενώ εντοπίζονται σε περιορισμένες περιοχές οι Ασβεστόλιθοι Κορυφών, η Ενότητα Αλεποβουνίου και Υπερβασικά Πετρώματα. Επί του βραχώδους υποβάθρου επικάθονται αποθέσεις Αλλουβιακών Ριπιδίων του Υμηττού, Ποταμοχειμάριες Αποθέσεις από τους διάφορους υδρογραφικούς άξονες που διατρέχουν την περιοχή και επιφανειακές μικρού πάχους Τεχνητές Αποθέσεις.
Οι συνηθέστεροι λιθολογικοί τύποι που συναντώνται κατά μήκος της χάραξης είναι ο μεταψαμμίτης, ο μεταϊλυόλιθος και ο αργιλικός σχίστης του Αθηναϊκού Σχιστόλιθου, συνήθως σε μεταξύ τους εναλλαγές, που εμφανίζουν συνολικά συχνότητα εμφάνισης με ποσοστό που φτάνει το 50%. Ακολουθούν οι ψαμμίτες, οι αργιλόλιθοι, οι μαργαϊκοί ασβεστόλιθοι και οι ασβεστόλιθοι της Ψαμμιτικής – Μαργαϊκής Σειράς (με αθροιστικό ποσοστό συχνότητας εμφάνισης περί τα 24%) και τα λατυποπαγή, οι αργιλόλιθοι, οι αργιλώδεις χάλικες και οι άργιλοι των Αλλουβιακών Ριπιδίων (με αθροιστικό ποσοστό συχνότητας εμφάνισης περί τα 12%). Το υπόλοιπο 14% αποτελείται από μανδύα αποσάθρωσης (2,5%) διαφόρων σχηματισμών, φυλλίτες, σχιστόλιθους, σερπεντινίτες, δολομίτες, ζώνες διάτμησης, διάφορα εδαφικά υλικά, κλπ.
Το Έργο τέμνει τον Ιλισσό ποταμό και τους παραποτάμους του καθώς και τους χείμαρρους που κατέρχονται από τα Τουρκοβούνια στην περιοχή Γαλατσίου, Κυψέλης και Αλεξάνδρας. Εκτός λίγων εξαιρέσεων, στο σύνολό τους οι υδρογραφικοί άξονες έχουν εγκιβωτιστεί και μετατραπεί σε υπόγειους αγωγούς ομβρίων.
Η στάθμη του υπογείου νερού αναμένεται γενικά πάνω από την οροφή της σήραγγας. Εξαίρεση αποτελούν περιορισμένου μήκους τμήματα όπου η στάθμη διαμορφώνεται εντός ή κάτω από τη διατομή της σήραγγας.
