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1881 年8 月8 日，詹天佑等取道旧金山回国。这批留学生回国后备受封建官吏的歧视和冷遇。他们一到上海，就被水兵“押送”至衙门后院，派兵看管，不准随便外出，视同异己。然后乘招商局轮船到天津，由李鸿章接见他们。这些学生，在美国生活多年，早已剪去发辫，穿惯了西服，但接见时，仍要求他们穿长袍马褂，戴上假的发辫，行旧礼节。这使他们很不习惯，詹天佑甚至连假发辫也不肯戴。李鸿章见时甚为不悦，斥骂他们“离经叛道，无父无君”。接见之后，让他们等候分配工作。而分配时，又不考虑所学专业和个人爱好，随便发派。
是年8 月底，詹天佑和另外15 名留美学生一同被派往福州船政局马尾水师后学堂学习海轮驾驶。这对曾在美国专门攻读铁路工程技术的詹天佑来说，无疑是一次严重打击，他失望地流下泪水，但也别无门路可走，只得强忍着去福州报到。
福州船政局是两江总督左宗棠所创办，附设前、后水师学堂，培养和储备水师人才。前学堂学造船，开法文课；后学堂学轮船驾驶，开英文课。后学堂的课程有：算术、几何、三角、代数、航海、天文、地理、气象等，计划二年半学完。詹天佑用不到一年时间，学完全部课程，并以第一名的考试成绩，于光绪八年（1882）毕业于后学堂。同年11 月派往扬武号兵舰任驾驶官。光绪十年正月（1884 年2 月）“升授船政局水师学堂教习”①，即提升为水师后学堂的英文教师。
光绪七年（1881）十一月间，福州船政大臣代表清廷在船政局水师学堂颁发奖赏，詹天佑以“技艺素优”，“赏给五品军功”。光绪十年（1884）八月十四日，又追补奖赏，以“后学堂教习詹天佑教导出力，实堪嘉赏，赏给五品顶戴”①，并颁发了军功奖状。
光绪十年（1884）春，张之洞升任两广总督后，大力兴办洋务。为培养洋务人才，创办了广东水雷局黄埔博学馆。为对付外敌入境，又积极筹办琼、廉、潮沿海各州防务，加强沿海炮台和陆军营垒的建设。还设立海图馆，以奉令勘测沿海各口地形并绘制海图等。为此，张氏广泛网罗科技人才。
是年10 月，詹天佑被张之洞调至广州，出任黄埔博学馆英文教习。他工作认真，教学有方，“官称其能，士服其教”，被尊为导师。
光绪十二年（1886）正月，海图馆派员勘测广东沿海地形，并委派詹天佑选带测绘生员随同前往，以周历各海口，逐一详加测绘。在詹天佑等人的率领下，其测绘人员“出入风涛，无间寒暑，候朝夕，测沙礁，辨岛屿，凡轮帆可达之处，战守缓急之宜，靡不周历审视，反复推求”②。于十三年（1887）七月终于测绘完毕，并成《粤海险要图》一套，呈交张之洞。是年冬，张之洞携测绘者乘轮亲自巡海，对所绘各图详加校核，认为比较精确。然后呈送清廷军机处及总理衙门，是为中国较早的完备海图。詹天佑认真努力的工作，丰富的学识和才华，给张之洞留下了深刻的印象，对其日后力主派员留学起① 中国史学会编：《中国近代史资料丛刊·洋务运动》第2 册，第165 页。① 詹天佑立《詹氏家谱》，转引自《詹天佑生平志》。
② 詹同济、黄志扬、邓海成编：《詹天佑生平志》，第58 页。
了一定作用。
次年，黄埔博学馆改为广东水陆师学堂，詹天佑继续担任该校的英文教习。詹天佑在用非所学的岗位上度过7 年，无论是驾驶军舰、从事水兵教习，还是测绘海图、修筑炮台等，都努力奋斗，克服困难，做出了优异的成绩。光绪十三年（1887），詹天佑在澳门与谭伯邨的女儿谭菊珍结婚。
第三节筑路七载，初露才华詹天佑自光绪七年（1881）回国后，直到光绪十四年（1888）才有机会用其所学，从此，他为中国铁路建设事业披荆斩棘，奋斗终生。
河北开平煤矿因运煤需要，于光绪七年（1881）建成唐山至胥各庄全长约9 公里的唐胥铁路，这是中国第一条正式用于运输的铁路，以后由此路两端逐步展筑成关（山海关）内外的干线铁路。詹天佑在建筑这条大干线及其支线的过程中，开始崭露头角。
光绪十三年（1887），唐胥铁路通车至芦台（即唐芦铁路）后，因沿海水兵用煤需要，清廷海军总理衙门奏准将其继续展修至天津。为此，将开平矿务局铁路公司改组为中国铁路公司，设于天津，由伍廷芳任总理，英国人金达（C。W。Kinder）任总工程师。光绪十四年（1888），经留美学生邝景阳（孙谋）向伍廷芳推荐，中国铁路公司遂聘请詹天佑任其帮工程师。于是，詹天佑离开广州，北上天津。此时中国铁路公司正紧张地忙于修筑塘沽至天津的铁路，詹天佑到任后，被分派到此段工地负责铺轨任务。这是詹天佑献身中国铁路事业的开始。他充分发挥筑路专长，指挥作业，塘津铁路全长40多公里，仅在80 天内就完成全部铺轨工程。直隶总督李鸿章亲往查验，认为线路“平稳坚实”。因此，唐山至天津的铁路，于是年九月初五日提前竣工通车。
唐津铁路通车，收益显著，于是继续向东展修。在总工程师金达率领下，詹天佑总是被派往最艰苦的工段。光绪十五年（1889）勘测唐山至古冶的铁路，十七年（1891）建成通车。
光绪十八年（1892），古冶至滦县铁路建成通车。光绪十九年（1893）
是关内铁路滦县至山海关段的修筑时期，其中的滦河大桥是这段路的关键工程。这是一座2000 余英尺长（合617 米）的17 孔钢桥（其中跨长200 英尺者5 孔，100 英尺者10 孔，30 英尺者2 孔），共有桥墩16 座，桥台2 座，工程相当艰难。金达先后聘请英国工程师喀克斯（Cox）以及日本和德国的工程师来承担这项工程，但结果都失败了。因为滦河水流湍急，桥基所在的河床流沙层甚厚，所设桥墩几次遭洪水冲毁，致使工期难以保证。后来金达将这一难题交给詹天佑去试行解决。詹天佑调查分析了滦河水流及河床地质情况，经过缜密的测量后，决定改变桥址，并在桥墩施工中引进当时的最新技术——气压沉箱法，并结合中国传统的打桩方法施工，结果一举成功。当16座基础桥墩露出水面后，钢梁架设、铺轨工程顺利完成。次年，滦县至山海关铁路迅速建成通车，至此，关内铁路竣工。
滦河大桥的建成，不只保证了关内铁路如期建成，詹天佑及时运用最先进科学技术的筑路才能，也引起国际学术界的关注。光绪二十年（1894），他当选为英国土木工程师学会会员（MICE），是为中国工程师被选为国际学术团体会员的第一人。
关内铁路通车后，继续向关外展筑。光绪二十年（1894）甲午战争爆发，关外段工程只筑至出关数十里的中后所（今辽宁绥中）即被迫停工。甲午战争后，中国被迫签订了割地赔款的《马关条约》，帝国主义列强侵略瓜分中国的危机进一步加深。铁路修筑，是列强在中国争夺和巩固势力范围的重要手段，此后，列强在华投资，争夺铁路修筑权的斗争更趋激烈。
光绪二十一年（1895），津卢铁路开工，詹天佑奉调修筑该路，率队测量线路，并提出报告，但未被有关方面采纳①。由于清廷软弱无能，不仅大举外债，而且重用外国工程师，致使学有专长的詹天佑久居人下，英雄无用武之地，只能以帮工程师身份参加该路修筑工作。
光绪二十四年（1898），清廷决定恢复从山海关至沈阳的关外段铁路工程，并先完成锦州段工程。当时有关官吏，因恐怕雇用外国工程师勘测线路会激起民变，故不得不起用詹天佑。于是詹天佑被调任山海关至锦州段的驻段工程师。奉天将军曾祺为使铁路早日通车，破例保荐詹天佑升为关内外铁路帮办，委以大权。詹天佑负责主持锦州段铁路的修筑任务，其工程相当艰巨。它包括锦州铁路和营口支线两部分。前者自绥中向东展筑，经锦州至新民屯，沿线需建大小桥梁90 余座，其中六股河大桥25 孔（跨长100 英尺者24 孔，60 余英尺者1 孔）、大凌河大桥24 孔（每孔跨长100 英尺）；线路还要跨越干柴岭山沟，沟深48 英尺，长1 英里，石质坚硬。后者自沟帮子修至营口的支线，全长73 公里，沿途地势低洼、水质含碱量大，不宜饮用和作机车用水，为此，需建数座水塔和蓄水池，以引辽河淡水储蓄备用。这些都加大了修路难度。詹天佑精心勘测筹划，日以继夜，深入工地，指挥修筑。工程虽然艰巨，但进展较快，光绪二十五年（1899）关外铁路通车至锦州，次年通车至大虎山，营口支线也全部通车，仅大虎山至新民屯一段尚未完工。正当此时，八国联军攻人北京，关内外铁路被英、俄两军占领而被迫停工，筑路人员只好撤出工地。
关外铁路停工后，詹天佑于光绪二十七年（1901）应盛宣怀和铁路总公司聘约南下，主持恢复萍醴铁路工程。在督修中，他坚持用4 英尺8 寸半（1。435米）的标准轨距进行修筑，使全国铁路轨距统一，以便互相连接，使运输畅通。萍醴铁路于光绪二十九年（1903）竣工通车。此后该路展筑至株洲，成为连接湖南江西、浙江等省铁路干线的组成部分。
关内外铁路被英俄两国占领后，清廷任命袁世凯为关内外铁路督办大臣，胡燏棻为会办，负责与英俄交涉，收回所侵占的铁路。光绪二十八年（1902）八月，詹天佑奉命离开了萍醴铁路工地，返回关外，接收被俄国强占的关外铁路。以往詹天佑主持修建的线路、桥梁、机车等，由于帝国主义者的践踏此时大多已经损坏，尤其是车辆遭受的破坏极为严重。詹天佑抓紧时间，日夜抢修，仅用了不到两个月的时间，就使关外铁路恢复通车了。是年，詹天佑的官阶，由报捐而得的选用州同升为候选同知。
光绪二十八年（1902）秋，清廷宣布于次年春季拜谒西陵。为便于慈禧太后等人“御驾”往来，决定从河北新城县高碑店到易县良各庄修筑一条新易铁路（也称西陵铁路），全长43 公里，限期六个月完成，并拨官银60 万两作为筑路费用，由直隶总督兼关内外铁路督办大臣袁世凯主管筑路之事。他原拟把工程交给英人金达主持，法国公使闻讯起而抗争，认为卢汉铁路是用法国借款修筑的，新易线系其支线，坚持要由法国工程师来设计建造，英法两国为争夺筑路权而相持不下。在无可奈何情况下，袁世凯只好放弃任用外国工程师的打算，改任詹天佑为新易铁路总工程师。詹氏仓促受命，经过周密策划，于是年十一月动工，次年三月谒陵前竣工。这是中国人完全依靠自己的力量修建的第一条铁路。
① 《进呈粤海图说折》，见《张文襄公全集·奏议二七》卷27。
光绪二十九年（1903）三月，慈禧等乘坐火车谒祭西陵后，甚为满意，对詹天佑和司机进行嘉奖，将其乘坐的火车车箱中的全部陈设品作奖品，奖给詹天佑。詹天佑认为，此路建成是众人之功，非一人所为。因此，他只取其中一个小座钟作为建路纪念，其余则都分给筑路员工。此后，清廷又奖励承造新易铁路出力人员，以“候选同知詹天佑，曾在外洋学习工程专门多年，为中国工程中杰出之才，此次承修路工，正值隆冬天气，措手綦难，该员不避艰辛，督率各匠役勤奋趋事，得以迅速竣工，而用费亦极节省，实属异常出力”。而“提升为选用知府”①，其余出力承修路工及官员均获奖励和提升。光绪三十年（1904），铁路督办大臣盛宣怀聘请詹天佑为中国铁路总公司（设事务所于上海）工程顾问，以协助筹划卢汉、沪宁、粤汉等南北干线铁路。
自1888—1905 年间，詹天佑除了1901 年奉命督修萍醴铁路外，主要参与修建关内、关外铁路及营口支线，共长940 余公里。尤其是新易路的建成，极大地鼓舞了中国人自力修建铁路的勇气和信心，詹天佑也因独立设计和主持修成这条铁路而蜚声全国，这些都为他日后主持京张铁路工程创造了条件。
① 1896 年2 月15 日，詹天佑致诺索布夫人的信。
第四节修筑京张铁路，大展宏图张家口是屏藩北京西北的军事重镇，也是重要的南北贸易要冲。为繁荣经济、巩固政权，光绪三十年（1904），清廷批准督办铁路大臣袁世凯及其会办大臣胡燏棻的奏请，拨用关内外铁路的部分余利，修建北京至张家口的京张铁路。这一消息传出后，英俄两国为争夺筑路权而互不相让。因关内外铁路余利存在英国汇丰银行里，如要拨用，必须先同中