勘测选线
大自然的造化之功成就了长城八达岭的奇伟壮丽和居庸八景,但此路险峻“中隔高山峻岭,石工最多,又有七千余尺桥梁,路险工艰为他处所未有”,特别是“居庸关、八达岭,层峦叠嶂,石峭湾多,遍考各省已修之路,以此为最难,即泰西诸书,亦视此等工程至为艰巨”。
“数据准确吗?”对测量工程数据要求严谨的詹天佑严肃地对测量队员说:“技术的第一个要求是精密,不能有一点模糊, ‘差不多’这类说法不应该出于工程人员之口。”这种严谨敬业、精益求精的工作态度,是工程质量的保证,大大提高了修建工程的成功率。
“由南口至八达岭,高低相距一百八十丈,每四十尺即须垫高一尺”。路线最困难的是南口至八达岭一带的关沟段,不单地势险峻,坡度亦很大。
詹天佑亲率工程队勘测了三条路线。为了寻找一条理想路线,詹天佑不仅多方搜求资料,而且还亲自访问当地农民,征求意见。那个时候山路崎岖,路途遥远,为了实地考察到最合理的路线,他往返行程千余里。选线反复衡量分析,勘测的其中一条线路,由于绕道过远不可取。另一条就是今天的丰沙线,因从北京城南向西修筑,经过大量坟地,阻碍太多,还因为拨款有限,时间紧迫。最终,詹天佑选定了经过南口、居庸关、八达岭的现行路线。
1905年6月24日,詹天佑完成勘测并拟定了勘测调查报告,随后又拟定了修筑京张全路办法。詹天佑在报告中写道:“此路早成一日,公家即早获一日之利益,商旅亦可早享一日之便利,外人亦可早杜一日之觊觎;而路工之难,亦实为向来所未有。”
采用“人字形”铁路方案
修建京张铁路,外国工程师亦都不敢轻易尝试如此艰难繁重的工程,他们还嘲笑说:“能修建京张铁路的中国人还没有出世!”
实,修建京张的难点繁多,困难程度也高。京张铁路的另一个难度是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,当时火车最高爬坡率只能达到25‰,可想而知这样的坡度,以当时的工程技术能力,要解决这个难题简直无法想象。
这次,擅长解决难题的詹天佑借鉴美国高山地区铁路设计(就像汽车行驶在高山的盘山公路上,坡折形状可以减小坡度,楼房的步行梯都是这个原理),在青龙桥设计“人字形”铁路,也叫“之”字轨道,用以“长度”换“高度”的原理减小了高度差,成功解决了车不能直接爬坡和转弯的难题。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,而且工程费用还可节省10万两白银,施工的强度和难度也相对降低了。《京张铁路工程纪略》书中对南口到八达岭岔道这段路况的描述是山势险峻,要打通四个山洞,居庸关、五桂头、石佛寺、八达岭:“南口岔道城之间,岗峦重叠,谷涧纷岐,峭壁参天,崎岖峻险。原测居庸关一带,以阻隔关沟,拟筑巨桥,傍山直上,穿越关城,因坡度过陡,终虑行走出险。嗣往复测,勘线凡数易,乃始定为今线。削高填深,循沟筑堤,开洞以通平原,绕山以取弯道,其斜度每三文得一尺,车行较稳。”
采用环形套线,绕行山区,可使坡度放缓,行车速度自当加快。但是,这将使工程量大增,这是当时修路经费和工期所不能允许的。詹天佑正是在当时修路的客观条件限制下,采取了三十分之一的最大坡道。用于干线铁路,很多人认为这是异想天开的解决办法,这在当时世界铁路史上都极为罕见,当时并无现成之经验可借鉴。京张路线初测完成后, 詹天佑认为之字形路线总不如环形绕山之套线为优越。无论何时何地都是如此。除非万不得已,不要采用这种路线。因为,采用之字形路线行车,将影响运输效率。在当时修路的客观条件限制下,詹天佑权衡利弊,立即决定采用如此大坡道通行于关沟之间。之字形路线的选定,使八达岭山洞长度减少近半,解决了京张铁路通过八达岭的关键问题。不能不说这是一项极为大胆而果断的举措,人字形铁路的修筑成为京张铁路的一个创举。
设置保险岔道
在设计好了之字线路后,为了保证行车安全,以防万一,詹天佑设计修建了列车保险避难区,也就是在关沟段设置了保险岔道。保险避难线的设置是为保证在陡坡上的行车安全,詹天佑设置了12条保险岔道,站内4处,区间8处。火车在爬坡路段,多采取提前加速,凭借动能冲过去的方法,俗称“冲坡”。但是一旦未达到坡顶,机车动能耗尽,冲坡失败,就会倒退,俗称“溜车”“溜坡”,此时列车失控,会发生事故。在居庸关——八达岭路段最陡的地方,京张铁路设有12处保险岔道(其中4处设在站内),一旦机车推力不足发生溜车,就会由司机给看道人员发信号,后者扳岔道,让列车开到保险岔道上去,防止事故。这就等于给上坡行车增加了保险系数。为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活节蒸汽机车,这种机车因为拥有较大牵引力,常在国外的山区地形陡坡处克服陡坡的坡道阻力时使用,用在八达岭地区可以解决在“人”字形线路上的行车问题。