清朝光绪末年，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。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。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。北京至张家口，相距近二百公里，军都山横亘其间。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。说到京张铁路的时，就不可避免地和“中国铁路之父”——詹天佑联系在一起。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。詹天佑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，那时就是蒸汽机车也刚在国内出现不久，其牵引力与现代机车不能相比。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？詹天佑选择了“之”字形线路。火车无法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”，就是“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。 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。詹天佑勘测了三条路线，第二条绕道过远为不可取。第三条就是今天的丰沙线。由于清廷拨款有限，时间紧迫，詹天佑决定采用第一条路线，即从丰台北上西直门、沙河、经南口、居庸关、八达岭、怀来、鸡鸣驿、宣化到张家口，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。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“撇”的顶端，需要先顺着下面这条“捺”行进到“人”字的“头部”，然后再掉过头来继续上行。詹天佑决定引进国外大马力机车，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。使用双机牵引解决了京张铁路的运输动力问题。在纸面设计“人”字形线路好办，但是，在连绵的军都山间、在预先设定的关沟路段，哪里去找这样一处完全符合要求的理想之地呢？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。青龙桥天然地形恰好适合于修筑这样一个供列车折返的场地，青龙桥在整条线路中的位置也刚好合适。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、还节约了资金。
