Les études de la première section de cette ligne entre Carcassonne et Limoux débutèrent en juillet 1866, soit dix ans après l'arrivée du chemin de fer dans la préfecture de l'Aude. Les ingénieurs Don de Cépian et Simonneau rendirent leur mémoire à l'appui de l'avant projet entre Carcassonne et Quillan. En décembre de la même année, le choix entre deux tracés fut présenté mais la décision devait revenir à M. Laroche-Tolay, directeur de la compagnie du midi, au début 1867. L'état qui s'était engagé à fournir une subvention hauteur de 7, 5000,000 francs devait également être consulté. Les travaux commenceraient, pensait-on à l'automne 1867.
Le premier tracé prévoyait un embranchant à 800 mètres au couchant de la gare de Carcassonne, franchissait le canal du midi au moyen d'un viaduc et se maintenait sur la rive gauche de l'Aude jusqu'aux abords de Limoux. Un peu au dessous du moulin dit des religieuses, un pont serait édifié pour le passage de la rivière. La gare de Limoux serait établie sur la rive droite de l'Aude, dans le quartier appelé le petit Limoux. Le tracé couperait par trois fois le route impériale 118 et comporterait deux haltes à Maquens et Villalbe, ainsi que trois gares: Preixan, Rouffiac et Cépie. L'autre tracé qui sera finalement retenu (voir photo ci-dessus), le chemin de fer franchissait l'Aude au dessous de l'embouchure du Lauquet sous le villages de Leuc, Verzeille et Pomas. Il nécessitait la construction d'une gare desservant Couffoulens-Leuc et d'une seconde à Verzeille. La gare de Pomas passerait de la rive gauche à la rive droite de l'Aude. Le village de Preixan et ses 428 habitants en 1866 serait sacrifié par le tracé. L'avantage de cette ligne était de mettre le chemin de fer à portée des villages de Couffoulens, Leuc, Verzeille et Saint-Hilaire par l'omnibus; pour une population totale de 2162 habitants.
Par décision du 2 août 1869, le Ministre des travaux publics a approuvé le nombre, l'emplacement des stations secondaires. Une station supplémentaire devait être établie entre Villalbe et la métairie de Madame (Voir photo de la gare de Madame à Villalbe).
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