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清光绪十六年（公元1890年）末，广东候补知府易学灏奏请两广总督李瀚章，拟以凑集商股方式，修建广州至英国租借地香港九龙的铁路，加强两地的交通联系。当时因粤汉铁广州市内的广深铁路路尚未修通，计划未被批准。至清光绪二十五年（公元1899年），清政府与英国议定修建广九铁路，后因英国正应付第二次波耳战争而搁置。清光绪三十三年（公元1907年）正月，《广九铁路借款合同》在北京签订，英国借款150万英镑给清政府修建广东段铁路（华段）。同年7月广九铁路香港段率先开工，而广东段则在1909年动工。经中、英双方商定，以罗湖桥中孔第二节为界，分为华、英两段。华段线路即为现今之广深铁路，当时全长142.77公里，而英段长35.78公里由英方修建。根据借款合同，广九铁路的建造虽然必须由英国人担任总工程师，但是中国仍然自聘华人铁路建筑工程师詹天佑为顾问。民国时期曾称呼此铁路为广九铁路，其中九是九龙，而香港则将它称为九广铁路（-{Kowloon-CantonRailway}-），在大陆的路段称为华段、而在香港的称为英段。但现在在香港“九广铁路”是指由九广铁路公司营运的铁路服务网络，包括东铁、轻铁、西铁及马鞍山铁路（马铁），其中东铁大致是原来的九广铁路英段。1950年代初，广州东站（大沙头站）再次更名为广州站，成为广州市内最主要的铁路客运站。1954年又在广北联络线上增设流花桥站（位于今广州站）。广深城际列车的CRH1A和谐号动车组1967年，广深铁路再次进行全线大修，提高线路运输能力。1974年4月12日，在原流花桥站改建的新广州站（广州新客站）建成使用，同时广深铁路广州段起点由原广州站（大沙头站）改成新广州站至今。80年代起，由于中国进行改革开放，深圳成立了经济特区，珠三角地区经济迅速发展，进口货物和旅客大量增加，原有广深铁路单线难以满足运输需要，所以在1984年起增建第二线，同时成立了广深铁路公司，直接隶属于广州铁路局，负责进行营运管理和建设复线的工作。1987年1月复线完工通车，运输能力提高70％，成为当时广东省第一条复线铁路。而广州东站（大沙头站）—东山站—云麓站一段的铁路于1984年被拆除，自此广州市中心再无铁路穿过。1987年底，广深铁路双线建成通车。1991年经国务院批准，广深准高速铁路立项；1994年12月23日，准高速线路改造和增建第三线工程正式投入运营。1998年5月28日，广深线准高速电气化工程竣工，8月28日正式投入运营。经过电气化改造，2000年9月，第三线电气化竣工通车，成为全国第一条的三线并行、全线封闭、全程电气化铁路。

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