1905年，詹天佑被派主持修筑京张铁路，先任总工程司兼会办，后升任总办兼总工程司。京张铁路自北京至张家口，约长200公里，位于通往西北之交通要道。因英、俄两国互争修筑权，清政府决定自力修筑、自行管理。京张铁路穿越军都山脉，工程异常艰巨，外国人纷纷议论，认为中国无力完成此等艰险工程，他们对詹天佑嗤之以鼻。面对外国的讥讽，詹天佑以大无畏的气概，率领全体建筑人员，知难而进，齐心为国争光。 修筑之初，工程技术人员缺乏，詹天佑带领仅有的两名山海关铁路学堂毕业生，详细勘测了全路。塞外经常狂风怒号，灰沙满天。冒着被巨风打入深谷的危险，詹天佑和工程人员一起，背着标杆、经纬仪在悬崖峭壁上定点制图。为了寻找一条理想的筑路线路，他常常骑着小毛驴在崎岖的山径上奔波。白天翻山越岭，晚上则俯身在洋油灯下绘图计算，随后提出修筑办法，并延揽了国内仅有的工程技术人员修筑本路。他制定了修筑此路越快越好的方针，以便及早完工后，腾出力量支援别省自办铁路。 京张铁路最困难的是八达岭隧道工程。为了确保提前建成这条铁路，詹天佑决定采用分段施工的办法。为了保证隧道的施工质量，詹天佑吃住在现场，事无巨细，亲自把关，对定线、定位甚至对每一个炮眼的直径和距离都要亲自过目。工作人员颇受感染，希望他保重身体、多多休息，詹天佑则认真地说：“全世界的眼睛都在望着我们，必须成功！” 开凿居庸关和八达岭两个隧道时，在没有新式开山机、抽水机和通风机设备的困难情况下，詹天佑创造性地采用两端开凿，中开竖井的施工方法，顺利解决了难题。他在工作中创造性地运用了“折返线”原理，在山多坡陡的青龙桥修筑了一段“人”字形线路，使关沟的线路坡度降低到％以下，使八达岭隧道的长度减少到设计方案的一半。 詹天佑还根据山区筑路的特点就地取材，设计了许多具有民族特色、宏伟可观的石拱桥，不仅节省了钢材，还大大降低了工程造价，实现了他自己提出的“花钱少、质量好、完工快”的三个要求。1909年，京张铁路三段工程全部完工，历时四年，比原计划提前了两年竣工，并节约投资二十八万多两白银，当时被外国工程师视为奇迹。
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