一百年前，詹天佑主持设计修建京张铁路时遇到了很多难题，其中最大的难题就是修筑从南口到八达岭岔道城的关沟段铁路。这段路地势陡，坡度大，最大坡度达 33‰，即每前进1000米，坡度就上升33米。这样的坡度，火车是不能直接爬上去的。因为，当时火车最高爬坡率只有25‰，于是詹天佑借鉴美国高山地区铁路设计，设计出用“长度”换“高度”的 “人字形”铁路。当列车行驶到这一路段时，用两个机车前牵后推，由石佛寺引上山，沿人字形线路一边，经过黄土岭线路的入口到达青龙桥车站，然后列车掉头退回，后推机车改为前牵，前牵机车改为后推，沿人字形的另一边，向西北方向直接进入八达岭隧道。这样的设计可以将线路的坡度降低至28‰，隧道也由原测的1800米缩短为1091米
人字形铁路示意图
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“人”字形线路示意图
险峻山岭如何天堑变通途 实地考察酝酿巧安排———
1905年9月4日，起自北京丰台、终至张家口的京张铁路开工。这是完全由中国人自己主持、自己设计、自己施工修建的第一条干线铁路。到现在，京张铁路开工整整100年。
人们在说到京张铁路的时候，不可避免地会把它和一个人的名字——詹天佑联系在一起。
京张铁路热英俄染指未遂
乘坐旅游列车前往八达岭游览的旅客，很少有人想到，他们所经过的这条铁路有多么不平凡。如果下车来用自己的双脚走一走这段路程，通过那陡峻的坡道、险急的曲线、窄长黑暗的山洞，就会感受到当年施工修筑时的艰难。
既然自然条件如此恶劣，为什么还非要修这样一条铁路呢？这与清朝末年国际国内的形势有密切关系。当时，国外列强把中国看成是一块可以分而食之的肥肉；国内则政治腐败，“闭关政策”严重阻碍了自身的发展。一批有识之士大声疾呼，应当积极学习和引进外国的先进思想与先进技术，以图振兴国运；而中国要强大，必须修铁路。
张家口一带资源丰富，但交通不便，难以开发利用。光绪末年，由于关内外铁路竣工后收益可观，引起了诸多商人的兴趣，纷纷向朝廷请求投资修筑京张铁路。最后朝廷采纳了铁路督办大臣袁世凯的建议，决定使用关内外铁路的余利官办筑路。英、俄两国原先对京张铁路均有染指之意，却因争执无果，最终不得不同意中国自行修建。1905年2月，京张铁路总局成立，铁路工程专家詹天佑担任总局的“会办”兼总工程司，主持京张铁路筑路工程。
关沟路段地形最为险恶 反复斟酌难以避开
北京至张家口，山势险峻、地形复杂，即使是外国专家也认为筑路极其困难，更没有人相信中国人能够仅靠自己的力量完成这项工程。外国媒体甚至说：“能在北京至张家口建造铁路的中国工程师，恐怕现在还没有出世呢！”
北京与张家口相距近二百公里，军都山横亘其间。自南口至八达岭的十几公里路程，属关沟路段。这一带层峦叠嶂、沟壑纵横，地形最为险恶。
詹天佑身先士卒，亲自率领勘测人员翻山越岭、风餐露宿进行实地勘测，发现工程施工的难度远超出想像。
“三十尺高一尺”，用铁路部门的专业语言说，就是千分之三十三点三的坡度。这是修筑京张铁路的最大难点。按照1999年重新修订颁布的《中华人民共和国铁路技术管理规程》规定，在地形条件最差的三等线路上，使用牵引力最大的电力机车，区间线路的最大限制坡度不得超过千分之二十五，即使是“加力牵引”，也不得超过千分之三十。而詹天佑所要设计的京张铁路，是在此技术管理规程下达的90多年前，那时哪里有什么电力机车、内燃机车，就是蒸汽机车也刚在国内出现不久，其牵引力与今天的机车相比，犹如天上地下。
为了避开这段地形条件最差的路段，詹天佑试图寻找相对理想的路径，先后选测了七八条不同的比较线。但是，由于经费及工期的限制，最后还是不得不把立足点落回到关沟路段。
被逼出来的“之”字形线路
山峦沟壑难避的问题如何解决？夏季洪水泛滥的问题如何解决？最重要的是，那千分之三十三点三的坡度如何解决？
詹天佑的伟大就表现在此处：他选择了“之”字形线路。
火车不可能顺着陡峭的山坡直着“爬”上去，只能采用延长路程的方法以减缓线路的坡度。以“距离”换取“高度”———实际上铁路也可以“盘山”，那叫“螺旋环山法”。但是使用这种方法有一个前提：必须具备合适的地形。由于关沟路段的自然条件限制，不适合用“螺旋环山法”，只有采用“之”字形线路，这是不得不采用的办法，也是唯一能采用的办法。
在这里有两个问题需要特别说明。第一，选择关沟路段是在客观条件限制下所采取的无奈之举，而并非最佳方案。詹天佑曾说过：“选定线路时，只要有办法，就不要采用关沟段那样的线路。”
第二，“之”字形线路并非詹天佑的发明。这种筑路形式早就在美国的矿山铁路中使用过了。但是，许多年来，人们一直传说是詹天佑发明了“之”字形线路，实属谬误。詹天佑不需要这样的虚名。他的伟大，不在于是否发明了这种办法，而在于能够大胆采纳并巧妙运用这种办法。
“之”字实际是“人”字一箭双雕巧安排
把这种线路说成是“人”字更准确一些。这是一个横放着的“人”字。列车为了达到上面那条腿的顶端，需要先顺着下面这条腿行进到“人”字的“头部”，然后再掉过头来继续上行。这样，就把一段陡峭的坡道代替了。
但是，这么长的一列火车，在到达“人”字的“头部”以后，如何掉头继续上行？
詹天佑决定采用“双机牵引”，就是使用两台机车，一台在前面拉、一台在后面推———到了“人”字的头部，火车无需掉头，原先在前面的机车变成了车尾、由拉变推；原先在后面的机车现在变成了车头、由推变拉。
其实，使用两台机车的主要目的是为了加大牵引力，如果仅仅是为了解决掉头折返的问题，在载重量小的时候，仅用一台机车也可以办到。但是在火车的载重量大时，一台机车就不够用了。詹天佑着力引进国外大马力机车，并创造性地使用双机牵引，解决了京张铁路的运输动力问题。
在纸上写一个“人”字好办，但是，在连绵不绝的军都山间、在预先设定的关沟路段，哪里去画这个“人”字，哪里去找这样一处完全符合要求的理想之地呢？
老天爷真的为詹天佑准备了这样一处地方，那就是青龙桥。它的天然地形恰好适合于修筑这样一个供列车折返的场地，而它在整条线路中的位置也刚好合适。
詹天佑通过反复勘察测量、不断修订设计方案，才发现并选中了青龙桥为折返地点。这一决策，使八达岭隧道的长度减少了一半，大大缩短了工期、节约了资金。
詹天佑还有多项创举
詹天佑的业绩绝不仅仅是一个青龙桥。在修建京张铁路时，他还有很多创举。比如开凿八达岭隧道。曾有诸多洋专家断言：如不使用外国的先进机械以及技术人员，仅凭中国人的力量不可能完成。而在詹天佑的策划指挥下，采用开挖竖井增加工作面、使用强力炸药爆破等措施，硬是依靠人力建成了这条中国筑路历史上的第一条长大隧道。
他着力引进国外大马力机车，并创造性地使用双机牵引，解决了京张铁路的运输动力问题。
他制定统一的铁路工程标准及行车规章制度，为中国铁路建设及管理的标准化奠定了基础。
他使京张铁路的建设比预定计划提前了两年。从1905年9月4日正式开工，到1909年10月2日在南口举行通车典礼，仅用了4年的时间。按当初预算，京张线施工以及购置机车、车辆的费用为白银729万两，实际仅用了约700万两，创造了当时全国铁路造价最低的纪录……