转眼间半个多月过去了，就在周卫国所部的新兵完成战术训练的同时，百团大战的第二阶段也进入了尾声。
关于第二阶段的作战战目的八路军总部说的很清楚，就是要继续扩大战果，而作战基本方针还是继续破坏日军交通，摧毁深入根据地的某些据点 。
只不过相比于第一阶段而言，第二阶段的战斗更具针对性，说白了之前只要是有铁路的地方八路军就出动，但是现在却是只重点打某一地区，甚至于只打某个城镇。
根据八路军总部的指示，晋察冀军区将视线从正太线转移到了晋北地区的灵丘和来源一带，发起了涞灵战役。
占领涞源、灵丘地区的是日军第27师团，师团长叫本间雅晴，这支部队的指挥部设在保定。
由于这支日军的占领区深入晋察冀军区腹地，因此一直是晋绥察军区的心腹大患，如鲠在喉。
聂司令员几次想要将其拔掉，但是日军也很重视这一地区，因此驻扎有重兵，单单日军就有大半个联队两千六百多人，另外还有伪军三千多人，加上伪警察和汉奸部队，总兵力超过了六千人以上。
此外日军受到第一阶段打击后，各据点纷纷增加兵力，其中涞源城单单就增了500人左右。
小鬼子依托城镇和据点不断地增修加固工事，储备粮弹，积极备战。
而晋察冀军区也在暗中准备，调集部队，准备一举将涞灵地区的日伪军一网打尽。
9月22日22时，由晋察冀军区主导的涞灵战役开始，晋察冀军区右翼部队三个团向涞源县城及其周围据点发起猛烈攻击。经一夜激战，夺占东、西、南关，日军退入城内。
接着晋察冀军区第2团在第1团1个营及炮兵配合下，猛攻涞源城东10公里处涞易公路上的敌重要据点三甲村，歼敌大部，将其占领。
同时，第3团向涞源城东北东团堡发起猛攻，至24日夜，攻克该村周围全部堡垒，将残敌压迫于村中数间房屋死守。
日军不敌，随即将据点库存武器、物资、粮食全部烧毁，准备突围。攻击部队再度向敌猛攻，残敌突围无望，投火**。
紧接着，右翼队其他部队和平西军分区第9团也连克桃花堡、白乐堡、吉家庄、辛庄、北口、下北头、白石口、中庄、王喜洞、刘家嘴、张家峪、北石佛、金家井等13个据点。战役发起的第2天，日军开始由保定、张家口等地南援，由于破路不彻底，日军推进迅速。
28日中午，日伪军3000余人搭乘汽车，在坦克20辆、飞机4架的掩护下，进抵涞源城。
在这种情况下，右翼队已难开展有利的攻势，晋察冀军区乃决心转移攻势于灵丘地区，第一步扫除灵丘、浑源间敌据点，第二步夺取大营东南至神堂堡一线及大营、沙河以北山地内敌据点。
10月2日，晋察冀军区命令右翼部队主力集结涞源以东及东南地区整理，一部监视钳制涞源之敌，另以第1、第2团归左翼队指挥，加入左翼部队作战。
10月8日夜，第1团第1营乘南坡头日军一部出动袭击第2团之机，向南坡头发起进攻，一举袭入敌阵，歼敌大部，残敌逃窜。
同时，第6团第1营攻克抢风岭，青磁窑日军望风而逃！
接着，第6团第3营攻击了金峰店。
此外，向灵丘、广灵间出击的第26团8日夜曾一度攻入黄台寺。
然而很快战况就急转直下，先是晋察冀军区发觉第1军分区《抗敌报》第35期的社论无意中将百团大战第二阶段企图泄露。接着蔚县的日军1300余人南援，开始反扑。
除此之外，涞源、易县、保定、望都、定县、完县、唐县、曲阳等地的日军也在集结兵力，准备粮弹，反攻的意图非常的明显。
不得已，晋察冀军区只得转入守势，涞灵战役结束！
此战共持续18天，共毙伤日伪军1000余人，俘日军49人、伪军237人，晋察冀军区伤亡1419人。
为策应涞灵战役，冀中军区在破袭沧石、德石、北宁、津浦铁路的同时，也集中兵力进行了任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役。
此战冀中军区出动了第18、第23、第30团等部计10个营，共8500余人，经过十多天的作战，共毙伤日军805人、伪军322人、俘日军3人、伪军326人，攻克据点29个，冀中军区部队伤亡573人。
与此同时，129师则是在晋东南地区发动了榆辽战役，120师则是发动了破击同蒲铁路的相关战役。
经过这半个月的血战，八路军在山西和河北两大战场再次重创了日伪军，不但收复了大量的城镇和据点，还极大地消耗了日伪军的有生力量，沉重打击了日军华北方面军制定的“囚笼政策”，对日军震动极大 。
经过这一战役，日军内部进行了深刻的反省，总结经验教训，对情报机构进行了空前的改革和加强，进一步明确了在华北作战以中共军队为重点的指导思想，甚至于华北方面军司令部把此役称为挖心战，每年8月20日，作为挖心战纪念日。
不过八路军的好日子也快到头了，10月5日，日本国内调往华北的援兵抵达天津港，此次运往华北的日军包括两个野战师团外加30个步兵大队。
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