新兗鐵路西由河南新鄉起(接軌點為新鄉南站)，東至山東省兗州，全長305.303公里。山東境內段以黃河河道中心為界，自新鄉起在黃河橋至東堡城站間114公里+624米處入境，至兗州長為190.679公里，境內有車站22個(含兗州站)。
線路地勢平坦、開闊，呈西高東低狀。地質屬華北地區魯西南斷塊凹陷區黃河沖積平原，地質為沙粘土和礓黑土。地層為奧陶系灰巖，並被新生界第四系覆蓋，嘉祥縣附近有古老殘丘出現，形成小丘陵，線路跨越滋陽、孫氏店、劉堤頭、嘉祥斷層和鉅野、東(平湖)微(山湖)斷裂帶。京杭運河、洸府河、鄆巨新河、洙趙新河等穿越線路後匯入南陽湖。沿線地下水埋藏上層一般2米至4米，流向由西向東。全線處於暖溫帶季風型大陸氣候區，四季分明；歷史記錄年均氣溫13.5℃；極端最高氣溫41.6℃，最低－19.4℃；年最大降水量為1186毫米，日最大降水量為253毫米；歷年平均凍結深度在0.2米至0.25米；全年主導風向為南風和北風；地震烈度：濟寧、嘉祥、鉅野縣境內為6度，菏澤縣的西王塘為界東部為6度、以西為7度。
新兗鐵路分三段修建，第一段為兗州至濟寧段，原稱兗濟支線，1912年通車，1944年拆除，1958年修復；第二段為濟寧至菏澤段，曾稱濟菏鐵路，1979年建成，1980年由濟南局濟菏臨管處臨管運營；第三段為新鄉南至菏澤段，由鐵道部第三工程局於1985年建成。三段合稱新兗鐵路。
(一)兗州至濟寧段
1909年5月，濟寧商紳楊毓泗等，以濟寧商業繁盛，系南北水陸轉運樞紐為由，要求將初建的津浦鐵路改經濟寧。因津浦鐵路已定線開工，決定不再變更，故增建兗州至濟寧的支線。線路於1911年10月開工，1912年6月竣工，11月通車，全長32.180公里，投資160萬兩白銀。修建時正值旱蝗災害，因此用“以工代賑”由民工包段施工。全線設孫氏店、濟寧兩站；濟寧站設有機車上煤、上水和轉盤、車庫等設施，通車後開行客車1對，貨車不定期開行。線路最小曲線半徑305米，最大坡度2.5‰，路基寬度5.5米，鋼軌重33公斤/米；共有混凝土包工字鋼板梁橋涵32座；閉塞方式為電氣路籤，無信號機。1944年4～6月，侵華日軍為解決幹線缺軌，於同年4～6月間將兗濟支線拆除。1958年，山東省濟寧專區專員公署呈請鐵道部由地方政府籌建修復兗濟支線。山東省政府撥款600萬元，濟南局提供技術資料和技術力量。兗濟支線修復指揮部於年初成立，並負責工程的施工組織等項工作。在“全黨全民辦鐵路”和“先通後備”的口號下，採用“邊勘測、邊設計、邊施工”，按施工計劃分段包工修築。駐軍搶運路料，民工承擔了土石方工程，濟南局第一工程大隊參加施工。同年6月開工，10月1日即竣工通車。共鋪軌38.319公里，其中正線鋪軌30.130公里；建橋16座，建房6500平方米，並架設了信號、通信設備和臨時給水設施。由於採取以舊代新等措施和按“先通後備”施工，到修復通車為止僅支出230萬元，平均每公里6萬元，致使線路質量差、尾工大，軌型配件雜(計有39種)。兗州濟寧段道床為沙質。洸府河大橋為21孔臨時扣軌梁、木排架便橋，線路限用“解放”型機車。
1960年元月移交濟南局，固定資產總值331.57萬元。1968年濟南局投資26.7萬元對線路進行了大修，將33公斤/米鋼軌換為44.7公斤/米，由每公里鋪枕木1400根增至1760根，將9號以下道岔更換為9號至12號，使線路達到Ⅲ級標準。1978年修建兗濟支線與津浦鐵路兗州北站之間聯絡線2.177公里。
(二)濟寧至菏澤段
1976年山東省革命委員會計劃委員會報請鐵道部修建濟菏鐵路，鐵道部於1977年7月批准，由鐵道部與地方共同投資。勘測設計由鐵道部第三設計院擔任。鐵三院於1977年8月對全線踏勘，9月初測，10月20日結束；10月下旬定測，12月份結束。設計主要工程量：正線110.200公里，土方477萬立方米，新建站14個，建橋涵320座，房屋2.5萬平方米。設計主要技術標準和條件：線路等級為Ⅲ級幹線，正線為單線，限制坡度為4‰，最小曲線半徑800米，“建設”型蒸汽機車牽引，牽引定數為2700噸，機車交路為短交路肩回式。正線道床沙墊層厚20釐米、石碴厚15釐米，枕木為再用枕和拼接枕，每公里鋪1600根；鋼軌為重43公斤/米雜軌，道岔用9號、12號新道岔；路基寬6.2米。通信設獨立的列車調度電話，另外設置各站、養路、守橋、道口等電話，通信電線大部按架空明線設計。1977年11月成立濟菏鐵路會戰指揮部，同時成立濟寧、菏澤、鐵路三個分指揮部，分段負責施工。全線工程於1977年12月13日正式開工，參加修建鐵路的沿線各縣民工及鐵路、公路職工共計12.4萬多人。共徵地9500餘畝，實用地8605畝。整個施工過程分三個階段：第一階段是土方工程，用6個月的時間將路基、車站的土方填完；第二階段是橋涵工程，用8個月時間，建成320座特、大、中、小橋涵；第三階段是輔軌架橋，用9個月時間將80孔橋樑、108.100公里的鋼軌架鋪完畢。三個階段交叉進行。在橋樑施工中，根據橋址地水文和地質的實際情況，對京杭運河特大橋等設計作了修改。在線路施工中，大部採用拖拉機、鑽孔機、攪拌機、架橋機、汽車等機械施工。全線共計投資5649萬元，總概算為5919.25萬元。1979年初由山東省濟菏鐵路管理處組織臨管。1980年改為濟南局濟菏臨管處臨管運營。
(三)新鄉南至菏澤段
1982年2月，為加速晉煤外運，鐵道部以《關於新建新鄉至菏澤鐵路和改造菏澤至兗州鐵路計劃任務書的報告》上報國家計委，同年國家計委以279號文件予以批覆。鐵道部第一勘測設計院和鐵道部大橋工程局根據以上文件和其他有關文件，於1983年元月完成了新鄉南至菏澤段鐵路和長東黃河特大橋的初步設計。1983年3月由鐵道部第三工程局在山東境內正式動工，僅用兩年多的時間便建成了新鄉南至菏澤段鐵路，全長為166.706公里；1984年2月18日，長東黃河特大橋由鐵道部大橋工程局施工，1985年12月底鋪通。鐵路為Ⅰ級幹線、單線，限制坡度4‰，預留電氣化條件，牽引定數3500噸。設計年輸送能力1700萬噸。線路橋樑總投資7.47億元。計長33.376公里。
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