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歷史於1911年初，當時的北約理民府建議修築鐵路連接沙頭角。政府採納建議，並於1911年4月開始，使用由於改用標準軌而從九廣鐵路英段（今港鐵東鐵綫）拆下來的窄軌鐵路物料修建這條支線。由於當時鐵路所在沒有道路可達，因此材料都是用牛車和人力運送，並搬遷多個墳墓。建築工程於同年12月便完成，1911年12月21日，粉嶺至石涌凹一段首先通車，到1912年4月1日全線通車。支線設有五個車站，包括粉嶺、洪嶺、禾坑、石涌凹及位於邊境車坪街的沙頭角。全程以單軌鋪設，另在1.5英里及4英里設側線供讓車用，並在禾坑站設掉頭路軌。通車初期每日只有4班列車，配合九廣鐵路主線的時間表行駛，列車上設有售票員。因為設備和線型比較低規格關係，走畢全程需要55分鐘。除了客運，支線也兼辦貨運，主要是運送磚和煤。通車時全程票價為2角，通車初期支線並不太受歡迎，故此年乘客只有42,940人次。後來於1914年增設頭等車卡，並於1915年有新的票務安排後，乘客才增至67,608多人次，支線並首次出現盈利。於全盛時期的1919年，乘客更有82,505人次。1924年香港政府落實興建沙頭角公路，並於1927年通車後，支線的營運大受影響，該年乘客跌至只有27,699人次。當局認為支線已沒有營運價值，最終於1年後的1928年4月1日停駛，當年只有5,933人次乘搭支線。
設備支線的路軌和枕木等都是從九鐵英段工程拆出來的窄軌物料，規格較低。而線型彎多路急，因此速度不高。支線於禾坑站和石涌凹站都設有側線供掉頭之用。此外亦有兩條貨運支線。營運時使用兩台窄軌蒸氣機車拖行。而客車車身由紅磡工場內的小型車卡改裝而成，初時並沒有頂蓋，乘客都要受日曬雨淋之苦，後來才加上帆布頂蓋。遺蹟車站file:///C:\Users\KAM-HU~1\AppData\Local\Temp\msohtml1\01\clip_image001.jpg洪嶺站主條目：洪嶺站由於時代久遠，因此沙頭角支線的遺蹟大都已經不可考。支線唯一尚存的建築物是洪嶺站，現在仍可沿沙頭角公路近坪輋路的孔嶺找到。路軌沿沙頭角公路不時會見到一些鐵軌，最長的一段可於塘肚村的農田和民居間找到，是一條長約數十米的小型坑道及一條隧道。支線清拆時，沙頭角居民利用棄置的舊火車路軌作為電線桿，並一直使用至今，在中英街和車坪街仍能清楚地見到現存的舊火車軌電線桿。機車而支線使用的其中兩輛W.G.Bagnall 0-4-4T蒸氣機車於停駛後的1933年被賣到菲律賓的甘蔗園使用，一直被使用直到1995年被九鐵購回。九鐵將其中一輛機車復修回1920年代的原貌後，1997年放置於香港鐵路博物館作靜態保存。
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