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1890年清政府又修關內外鐵路（今京沈鐵路），以金達為總工程師。1892年工程進行到灤河大橋，許多國家都想兜攬這樁生意，金達當然以英人為先，但英人喀克斯以建不成橋而失敗。日本、德國的承包者也都遭失敗。由于交工期限將至，金達才不得不求于詹天佑。詹天佑詳盡分析了各國失敗原因，又對灤河底的地質土壤進行了周密的測量研究之后，決定改變樁址，采用中國傳統的方法，以中國的潛水員潛入河底，配以機器操作，勝利完成了打樁任務，建成灤河大橋。這一勝利長了中國人民的志氣。1894年英國工程研究會選舉詹天佑為該會會員。
此后，詹天佑又領導了京津鐵路、萍醴鐵路（萍鄉至醴陵）等鐵路的建筑。
袁世凱為討好那拉氏，1902年奏請修建一條專供皇室祭祖之用的新易鐵路（高碑店至易縣）。坐火車去祭祖，那拉氏自然高興。為了不誤1903年祭祖之用，命袁世凱于六個月內完工。袁世凱命詹天佑為總工程師。盡管此路價值不大，卻是中國人自修鐵路之始。因此詹天佑仍是非常重視。詹天佑徹底拋棄了當時外國人必須在路基修成之后風干一年才可鋪軌的常規，僅用四個月的時間以極省的費用建成新易鐵路。大大鼓舞了中國人自建鐵路的信心，為后來京張鐵路的修筑打下良好基礎。
張家口為北京通往內蒙古的要沖，南北旅商來往之孔道，向來為兵家所必爭，因此京張鐵路就有著重要的經濟價值和政治價值。當清廷要修京張路的消息傳出后，在華勢力最大的英國志在必得，視長城以北為其勢力范圍的沙俄誓不相讓，雙方爭持不下，最后達成協議：如果清廷不借外債，不用洋匠，全由中國人自修此路，雙方可都不伸手。這樣，清政府就打消了求救于洋人的念頭而一心自修了。
1905年5月，京張鐵路總局和工程局成立，以陳昭常為總辦，詹天佑為會辦兼總工程師，1906年詹天佑又升為總辦兼總工程師。詹天佑清楚地知道這一任務的艱巨性，他首先必須頂住來自各方面的冷嘲熱諷：有人說他是“自不量力”，“不過花幾 個錢罷了”，甚至說他是“膽大妄為”。他給他的美國老師諾索樸夫人的信中就這樣說：“如果京張工程失敗的話，不但是我的不幸，中國工程師的不幸，同時帶給中國很大損失。在我接受這一任務前后，許多外國人露骨地宣稱中國工程師不能擔當京張線的石方和山洞的艱巨工程，但是我堅持我工程”。充分體現了中國知識分子的愛國心和民族責任心。
詹天佑勘測了三條路線，第二條繞道過遠為不可取。第三條就是今天的豐沙線。由于清廷撥款有限，時間緊迫，詹天佑決定采用第一條路線，即從豐臺北上西直門、沙河、經南口、居庸關、八達嶺、懷來、雞鳴驛、宣化到張家口，全長360華里。全線的難關在關溝，這一帶疊巒重嶂，懸殊峭壁，工程之難在當時為全國所沒有，世界所罕見；坡度極大，南口和八達嶺的高度相差180丈。詹天佑把全線分為三段：豐臺到南口為第一段，南口到康莊為第二段，余為第三段。
不久，勘探和施工進入最困難的階段。在八達嶺、青龍橋一帶，山巒重疊，陡壁懸巖，要開四條隧道，其中最長的達一千一百多米，是居庸關的三倍長。詹天佑經過精確測量計算，決定采取分段施工法：從山的南北兩端同時對鑿，并在山的中段開一口大井，在井中再向南北兩端對鑿。這樣既保證了施工質量，又加快了工程進度。鑿洞時，大量的石塊全靠人工一鍬鍬地挖，涌出的泉水要一擔擔地挑出來，身為總工程師的詹天佑毫無架子，與工人同挖石，同挑水，一身污泥一臉汗。他還鼓舞大家說：“京張鐵路是我們用自己的人、自己的錢修建的第一條鐵路，全世界的眼睛都在望著我們，必須成功！”“無論成功或失敗，決不是我們自己的成功和失敗，而是我們國家的成功和失敗！”詹天佑為了縮短工期，想出了“豎井開鑿法”，為了火車上山，創造了“人”字形線路，這些方法都在現在起到了非常大的作用。
1905年9月4日正式開工，12月12日開始鋪軌。就在鋪軌的第一天，一列工程車的一個車鉤鏈子折斷，造成脫軌事故。這一下成了中國人不能自修鐵路的證據，各種誹謗中傷紛至沓來。但詹天佑沒有驚慌失措，反倒冷靜地想到：此路坡度極大，每節車廂之間的連接性能稍有不固，事故就難避免。為此，他使用了自動掛鉤法，終于解決了這個問題。
1906年9月30日第一段工程全部通車，第二段工程同時開始。難關就在第二段，首先必須打通居庸關、五桂頭、石佛寺、八達嶺四條隧道，最長的八達嶺隧道1，092公尺。這不僅要有精確的計算和正確的指揮，還要有新式的開山機、通風機和抽水機。前者對詹天佑都不成問題，而后者當時中國全都沒有，只在靠工人的雙手，其困難程度可以想見。他們硬是克服了重重困難，終于在1908年9月完成了第二段工程。
第三段工程的難度僅次于關溝，首先遇到的是懷來大橋，這是京張路上最長的一座橋，它由七根一百英尺長的鋼梁架設而成。由于詹天佑正確地指揮，及時建成。1909年4月2日火車通到下花園。下花園到雞鳴驛礦區岔道一段雖不長，工程極難。右臨羊河，左傍石山，山上要開一條六丈深的通道，山下要墊高七華里長的河床。詹天佑即以山上開道之石來墊山下河床。為防山洪沖擊路基，又用水泥磚加以保護，勝利完成了第三段工段。 京張鐵路建成典禮
對于工程上的困難，詹天佑從未放在眼里，對于人為的障礙卻使詹天佑憂憤至極。清河有個叫廣宅的人，是前任道員，皇室載澤的親戚，朝野均有勢力。鐵路恰經其墳地，他即率眾鬧事，阻止工程，私下又許以重賄，要求改道。郵傳部竟不敢過問。這里北面是鄭王墳，南面是宦官墳，西面是那拉氏父親桂公墳，要大改道不知要浪費多少時間和經費。詹天佑以受賄為可恥，絕不改道，竟以去留相力爭。最后因五大臣出洋被炸，載澤嚇得不敢與聞外事，廣宅才因失去靠山而同意經其墳墻以外通過。京張鐵路建成典禮此路原訂六年完成，詹天佑終于提前兩年于1909年8月11日全線通車了，還節余二十八萬兩銀子。京張鐵路的勝利完成，是中國人民的勝利，也是中國愛國知識分子愛國精神的充分體現。
京張路完式之后，詹天佑應廣東商辦粵漢鐵路總公司的聘請，于1910年任該公司總理，又于1912年5月兼任漢粵川鐵路會辦。由于中國政府的腐敗無能，帝國主義的在華角逐，竟使這位愛國的、天才的杰出工程師不能施展才能，焦慮至極。終因勞瘁成疾，于1919年4月24日下午三時半逝世于漢口，享年五十八歲。
辛亥革命后，詹天佑為了振興鐵路事業，和同行了起成立中華工程學會，并被推為會長。這期間，他對青年工程技術人員的培養傾注了大量心血，他除了以自己的行為作出榜樣外，還勉勵青年“精研學術，以資發明”，要求他們“勿屈己徇人，勿沽名而釣譽。以誠接物，毋挾褊私，圭璧束身，以為范例。”
一九一九年，第一次歐戰結束，詹天佑不顧身患腹疾，代表中國政府出席遠東鐵路國際會議，冒著嚴寒赴會，與企圖霸占我國北滿中東鐵路的日方代表論戰，取得了我國保護中東鐵路的權利。回國途中，他抱病再次登上長城，浩嘆：“生命有長短，命運有沉升，初建路網的夢想破滅令我抱恨終天，所幸我的生命能化成匍匐在華夏大地上的一根鐵軌……”他鍥而不舍，在鐵路戰線上與列強斗爭不息的事跡、和他身上所體現出的民族精神與科學精神高度融合的品質，將和后人為他樹立的銅像一起，永遠給我們無限啟示。
帝國主義無時不想奪取此路，工程一開始，日本人雨宮敬次郎就上書袁世凱說：中國人無力修成此路，不如聘請日本技師較為穩妥。英國人金達也來替日本說項。詹天佑以此路決不任用任何一個外國人為由斷然拒絕。居庸關遂道工程開始后，三五成群的外國人，以打獵為名常來窺探，他們希望工程失敗以便乘人之危。詹天佑以出色的成績為中國人出了這口氣。
【詹天佑身世】
詹天佑是婺源縣廬坑村詹氏的第四十代傳人。詹氏的第三十七代世組、詹天佑的曾祖父詹萬榜，字文賢，生于乾隆十年(公元1745年)。詹萬榜的父親詹錦千是個商人，在本鄉開了個名為“大昌”的雜貨鋪。他生有八個子女，詹萬榜居三。由于子女多、花費大，雜貨鋪不敷家用，詹家負債累累，諸兄弟只好分家自謀生路。詹萬榜頗有志氣，在父母故世之后，決意不受祖遺產業攜眷搬到下村高胡山另居，因小時讀過幾本醫書，便掛牌行醫。正值乾隆盛世，人民在長期戰亂中得到一個喘息的機會，農業有所發展，商業也漸為興旺。婺源茶葉銷售日增，而且飄洋過海，成為大不列顛和北愛爾蘭聯合王國中上層人物最受歡迎的飲料之一。那時的婺源綠茶都是就地加工，再運往廣州口岸出口。由于收價低廉，出口銷價很高，不少茶商發了大財。詹萬榜竟也心動，販了一批茶葉前往廣東。
誰知經商不利，不僅倒賠了血本，而且連回家的路費也無著落，只好羈旅廣州，靠故友鄉親接濟以度時日。當時在廣東的徽州商人為數眾多，亦有婺源人經商發了財的，經他們慷慨解囊，詹萬榜遂在廣州西關外開了一家名為“萬孚”的小茶行。小茶行日漸興旺，逐漸歸還了欠債，而且還用余錢捐了一個太學士的官。
此時，詹萬榜雄心勃勃，把兒子也帶往廣東，決心依附廣州十三行的勢力，打開更大的局面。兒子詹世鸞不負父望，佐父經商，生意更為發達。詹世鸞意識到，經商不能沒有官帽，也捐了一個侯選布政司經歷的官，列授儒林郎，有了六品頂戴。
到了詹天佑父親詹興藩時，遇上鴉片戰爭爆發。英國侵略者的大炮把長期控制外銷貿易的“十三行”轟掉了，在廣州的外貿小商人，開始衰落。不久，詹氏的茶行也宣告破產。詹興藩一家由廣州遷往南海，一邊讀書，一邊種田，以維持家計。
1861年3月27日，太平軍與清政府鏖戰的炮火正隆，英法聯軍火燒圓明園的余煙未盡，詹天佑在廣東南海的一個農民家里呱呱墜地了。
同治六年(公元1867年)湘系軍閥曾國藩就任兩江總督。中國第一個留美的耶魯大學畢業生容閎，向他獻了一個選派幼童出洋赴美的“條陳”。三年后，這個“條陳”終于得到清政府的批準。留學生共分四批，名額為一百二十人，年齡為十二至十五歲。清政府并指定容閎到香港主持“選送幼童出洋肄業”的招生工作。
此時，詹興藩有個同鄉在香港經商，名叫譚伯村。他非常喜歡詹天佑。1871年春天，譚伯村特地從香港趕到南海，勸詹興藩不要放棄詹天佑留洋的機會，說這是“洋翰林”，一輩子的“鐵飯碗”。而詹興藩遲疑不決，直到譚答應把自己的第四個女兒（詹天佑的夫人譚菊珍）給詹天佑配親，這事才算定了下來。
同治十一年(公元1872年)，年僅十二歲的詹天佑到香港投考幼童出洋預備班。不久，被錄取。詹天佑自己在回憶這一段歷史時寫到：“余十二歲，同治十一年三月十五日隨香山道臺容閎大人由香港搭上海火船，于三月二十八日到上海。奉大憲招入上海出洋局內讀唐番書。高州主事陳蘭斌老師教唐書，容大人教番書，于七月初八日出洋學習，奉旨欽賜官生，賞賜袍、頂戴，是日隨陳蘭斌老師拜別上海，下船往花旗國肄業機藝。”
詹天佑到美國的第二年，通過一個時期的外語補習，進了西海文小學。光緒二年(公元1876年)詹天佑又考進了紐海芬的海濱中學。就在這一年，國內的第一條鐵路，即吳淞到上海的小鐵路，方才通車。而當時所謂讀圣賢書的士紳們，看到這龐然大物，全都大驚失色。認為這怪東西破壞了山水，危及自家性命，居然聚眾把鐵路全部拆毀，將鐵軌投入湖中。
國內環境是如此昏暗，而詹天佑居然選擇了被人咒罵的鐵路專業。光緒四年(1878年)，他在老師諾索卜夫人和容閎的支持下，考取了美國耶魯大學。進了土木工程系，就讀鐵路工程一科。三年后畢業，數學考試為第一名，得了學士學位。在一百二十名官學生中，他是最優秀的一個，也是以后最忠于所學的一人。
光緒七年(1881年)，詹天佑從美國耶魯大學畢業回到了上海。上岸第一天，就聽說曾國藩已死，由淮系軍閥李鴻章接任北洋大臣。留學生們便搭乘輪船，從