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日夜抢修，仅用了不到两个月的时间，就使关外铁路恢复通车了。是年，詹天佑的官阶，由报捐而得的选用州同升为候选同知。
光绪二十八年（1902）秋，清廷宣布于次年春季拜谒西陵。为便于慈禧太后等人“御驾”往来，决定从河北新城县高碑店到易县良各庄修筑一条新易铁路（也称西陵铁路），全长43 公里，限期六个月完成，并拨官银60 万两作为筑路费用，由直隶总督兼关内外铁路督办大臣袁世凯主管筑路之事。他原拟把工程交给英人金达主持，法国公使闻讯起而抗争，认为卢汉铁路是用法国借款修筑的，新易线系其支线，坚持要由法国工程师来设计建造，英法两国为争夺筑路权而相持不下。在无可奈何情况下，袁世凯只好放弃任用外国工程师的打算，改任詹天佑为新易铁路总工程师。詹氏仓促受命，经过周密策划，于是年十一月动工，次年三月谒陵前竣工。这是中国人完全依靠自己的力量修建的第一条铁路。
① 《进呈粤海图说折》，见《张文襄公全集·奏议二七》卷27。
光绪二十九年（1903）三月，慈禧等乘坐火车谒祭西陵后，甚为满意，对詹天佑和司机进行嘉奖，将其乘坐的火车车箱中的全部陈设品作奖品，奖给詹天佑。詹天佑认为，此路建成是众人之功，非一人所为。因此，他只取其中一个小座钟作为建路纪念，其余则都分给筑路员工。此后，清廷又奖励承造新易铁路出力人员，以“候选同知詹天佑，曾在外洋学习工程专门多年，为中国工程中杰出之才，此次承修路工，正值隆冬天气，措手綦难，该员不避艰辛，督率各匠役勤奋趋事，得以迅速竣工，而用费亦极节省，实属异常出力”。而“提升为选用知府”①，其余出力承修路工及官员均获奖励和提升。光绪三十年（1904），铁路督办大臣盛宣怀聘请詹天佑为中国铁路总公司（设事务所于上海）工程顾问，以协助筹划卢汉、沪宁、粤汉等南北干线铁路。
自1888—1905 年间，詹天佑除了1901 年奉命督修萍醴铁路外，主要参与修建关内、关外铁路及营口支线，共长940 余公里。尤其是新易路的建成，极大地鼓舞了中国人自力修建铁路的勇气和信心，詹天佑也因独立设计和主持修成这条铁路而蜚声全国，这些都为他日后主持京张铁路工程创造了条件。
① 1896 年2 月15 日，詹天佑致诺索布夫人的信。
第四节修筑京张铁路，大展宏图张家口是屏藩北京西北的军事重镇，也是重要的南北贸易要冲。为繁荣经济、巩固政权，光绪三十年（1904），清廷批准督办铁路大臣袁世凯及其会办大臣胡燏棻的奏请，拨用关内外铁路的部分余利，修建北京至张家口的京张铁路。这一消息传出后，英俄两国为争夺筑路权而互不相让。因关内外铁路余利存在英国汇丰银行里，如要拨用，必须先同中英公司协商，于是他们乘机要挟，举荐英人金达担任总工程师。俄国公使则出面反对，声明以往清、俄两国有约，规定长城以外铁路不能由第三国承建，并乘机胁迫清廷指派俄人担任总工程师。英、俄两国相持不下，最后清廷决定不用洋人，全由中国“官款自办”，并委派詹天佑负责京张铁路的筹建工作。
光绪三十一年四月（1905 年5 月），京张铁路局在天津成立，同时又在北京成立工程局，任命陈昭常为总办，詹天佑为总工程师兼局务会办。1906年詹天佑接任总办。1905 年5 月，当詹天佑奉命率队由丰台出发勘踏路线时，金达竟然同时由唐山出发，以行猎为名，别有用心地秘密勘测这条线路，5月20 日两人在南口不期相遇，金达对詹天佑说：“从南口到岔道城之间的路线（关沟段）困难程度大大超出他的料想，。。中国人不能承担开挖山洞工程，。。必须采用外国包工。。。他愿招人投标承揽合同。”詹天佑明确告诉他，此线“袁总督已奏明皇上。。不使用外国人”。金达说“不使用外国人一事乃是谎言！”①国外还有一些人和报刊公开宣称：“中国能开凿关沟段之工程师尚未诞生于世！”①“中国人想不靠外国人自己修铁路，就算不是梦想，至少也要过五十年才能实现！”②等等，国内也有一些丧失民族自尊感的崇洋媚外者嘲笑詹天佑“自不量力”、“胆大妄为”等等。这些蔑视和嘲笑没有影响詹天佑的坚强信心，他怀着强烈的爱国心和事业心，毅然承担了这项具有国际影响的筑路任务。
詹天佑认为，修筑铁路，选线最为重要。为了寻找一条理想路线，詹天佑不仅多方搜求资料，实地考察勘测，而且还亲自访问当地农民，征求意见。他常常骑着毛驴在崎岖的山路上勘查。白天翻山越岭，晚上还要伏在油灯下计算、绘图、撰写工程日记。历时40 多天，往返行程千余里，于6 月24 日终于完成全线初测任务。当时，对京张铁路勘测了三条比较线：一是由京奉铁路柳村车站起，经西直门到南口，沿关沟越岭，在八达岭过长城，出岔道城，再经康庄、怀来、沙城、宣化而达张家口。这条线峰峦起伏，尤其是从南口到岔道城一带的关沟地段，要在悬崖绝壁上修筑一条陡险的铁路，穿过古称“天险”的长城要塞居庸关、八达岭。铁路通过八达岭，必须开凿一座很长的隧道，坡度极陡，工程浩大，而运输量又受到限制。二是从张家口，经怀来县、延庆州、小张家口，沿着热河至北京的大路，经得胜口过山，再过明十三陵、黄土梁到北京。这条是由老乡所说可绕过关沟地带的线路，但路程绕远，坡度也很大，工程并不简单。三是从北京西直门向西40 里，绕石① 詹同济、黄志扬、邓海成编：《詹天佑生平志》，第56—57 页。
① 詹天佑1905 年5 月20 日的日记，见詹同济编译：《詹天佑日记书信文章选》，北京燕山出版社1989 年版。以下所引日记，皆引自此书。
② 詹天佑：《京张铁路工程纪略·京张铁路调查报告》（光绪三十一年），中华工程师学会出版1915 年版。景山、经过三家店，沿永定河，从青石到沙城附近的猪河口出山，到张家口。这条线坡度较平缓，但永定河峡谷河道迂曲，山崖陡峭，工程比关沟段更艰巨，但通过能力较高，运输量大。但其造价和工期都会超过当时清廷的规定而不能实施。这条线路后来建成现在的丰沙线。
詹天佑结合当时实际情况，对这三条比较线反复论证、筛选，最后决定采用第一条比较线。此后对关沟的困难路线又勘测过多条局部比较线，经过分析，最后选定了在当时条件下较为理想的一条比较线。
对所选的比较线还要进一步复勘定线，詹天佑把通过关沟的全线分成三大段，调派人员，分段仔细勘定。第一大段从柳村到南口，由他亲自率领工程人员插标定线。他背着标杆与经纬仪在峭壁上定点制图。塞外常有狂风，满天灰沙，不管环境多么恶劣，他都坚持作业，并鼓励大家也坚持工作。他常勉励工程人员：“全世界的眼睛都在望着我们，必须成功！”
通过勘测得知，京张铁路，全长200 余公里，“中隔居庸关、八达岭、层峦叠嶂，石峭弯多，遍考各行省已修之路，以此为最难，即泰西铁路诸书，亦视此等工程至为艰巨”③。面对如此艰巨的工程，詹天佑深感责任重大。他说：“此路又中国筹款自办，为各省倡，惟责重益觉才轻，而图终必先虑始，固不敢铺张从事，致巨款虚糜，亦不敢苟且速成，贻外人口实。”①他在致诺索布夫人的信中也写道：“全体中国人和外国人都在密切注视着我的工作，如果我失败了，那就不仅是我个人的不幸。因若如此，中国工程师将失掉大众的信任。”②詹天佑深深认识到京张铁路的成功与否关系到民族自信心的问题，因此，在筹划整个工程时，他丝毫不敢掉以轻心，经过缜密而慎重的研究，提出将京张铁路分三段兴修的方案：第一段由丰台至南口，长约60 公里；第二段由南口至岔道城，长约33 公里；第三段由岔道城至张家口，长约128公里。其中第二段因关沟阻隔，地形复杂，需要开凿大量隧道，工程最为艰巨。
在修筑京张铁路的过程中，詹天佑充分展示了他出众的才能。首先他应用超群的定线知识和丰富的勘测经验，在地形险峻、工程艰巨的关沟段采用1：30 即33。3‰的大坡度和半径为600 英尺（183 米）的曲线，在青龙桥车站巧妙地设置“之”字形展线，使八达岭隧道长度由1800 米缩短至1091 米，既解决了最困难的越岭问题，又节省工程，降低了造价。
其次，在关沟段设保险岔道（避难线）和引进先进机车。为保证在陡坡上行车安全，詹天佑设置了12 条保险岔道，站内4 处，区间8 处。为了适应在大坡度线路上行车的牵引吨数，引进了当时最先进的马莱（Mallet）复式活节蒸汽机车，以用机车的较大牵引力（42000 吨）克服陡坡的坡道阻力，以解决在“之”字形线路上的行车问题。
在开挖隧道时，詹天佑还率先采用了直井开凿隧道技术。京张铁路有四座隧道，即八达岭、居庸关、石佛寺和五桂头。其中以八达岭隧道开凿最难，山势崎斜，石质坚硬，隧道长度大，詹天佑巧妙地从隧道中部开凿两个直径为10 英尺、深为84 英尺的直井，使隧道的开挖工作面从原来的2 个增为6个，大大地缩短了施工期限，同时通过精密测量，随时校正隧道开凿方向和③ 引自1961 年4 月27 日《人民日报》茅以升文。
① 詹天佑：《京张铁路工程记略·修造京张全路办法》，《詹天佑文选》，北京燕山出版社1993 年版。② 詹天佑：《京张铁路工程记略·修造京张全路办法》，《詹天佑文选》，北京燕山出版社1993 年版。水平高低，保证了施工质量。
同时，詹天佑还注意就地取材，节约工程费用。�