至傍晚，临沂战事暂时结束。81 军与第 59 军协同作战，共歼灭日军第 5 师团 1 个联队约 3000 余人，炸毁日军坦克 8 辆、火炮 20 余门，缴获大量武器弹药。
庞炳勋第 3 军团的士兵们看到日军撤退，激动得欢呼雀跃，他们围着 81 军的士兵，不停地道谢：“多亏了你们，临沂才守住了！”
田达站在临沂城墙上，望着远处逃窜的日军，对身边的席代宇说：“临沂守住了，日军迂回台儿庄的计划彻底破产，台儿庄的侧翼安全了！”
席代宇点点头：“接下来，我们还要支援滕县，确保北线防线万无一失！”
就在 81 军主力驰援临沂的同时，126 师师长刘庄儒率领 126 师 3 个团约 4000 余人，已抵达滕县以南不足20公里。
此时，川军第 22 集团军在滕县与日军第 10 师团已血战多日。
川军缺少火炮，不多的轻重机枪、迫击炮，还是之前在武汉时周青云让人送的；面对日军第 10 师团的机械化部队，伤亡极为惨重，原本 3 万人的部队，此时已不足万人，滕县县城的城垣多处被日军炮火炸毁，形势危急。
刘庄儒刚抵达藤县南部不远，便接到川军第 22 集团军总司令邓锡侯的紧急电报：“日军第 10 师团主力已抵达滕县城下，正准备发起总攻，请求 126 师即刻驰援滕县城区，加固城防！” 刘庄儒不敢耽搁，立即率领部队向滕县城区进发。
上午11点左右，126 师抵达滕县城区。
刘庄儒见到邓锡侯时，这位川军老将正站在城墙上，望着远处的日军阵地，眉头紧锁。
邓锡侯看到刘庄儒，激动地说：“刘师长，你们可算来了！日军的炮火太猛了，城垣快顶不住了！”
刘庄儒立即下令部队展开行动：一部分士兵协助川军加固城防，用沙袋填补城垣的缺口，在城墙内侧构筑掩体；另一部分士兵则部署在城墙上，利用 81 军的精良装备，加强防御火力。
126 师的士兵们将沅式重机枪（仿造德国 MG08式水冷马克沁重机枪）架在城墙上，这种重机枪射速快、火力持久，能有效压制日军的步兵冲锋；同时，还在城墙两侧部署了 37mm 战防炮，用于抵御日军的坦克。
午后，日军第 10 师团发起总攻。
日军的 150mm 榴弹炮密集轰击滕县城区，城垣再次被炸毁多处，碎石与泥土飞溅。
随后，日军的坦克在前面开路，步兵跟在后面，向滕县城区冲锋。刘庄儒站在城墙上，沉着指挥：“战防炮准备，瞄准日军坦克！重机枪开火，压制日军步兵！”
37mm 战防炮的炮手们早已瞄准目标，听到命令后，立即扣动扳机。炮弹呼啸着飞向日军坦克，精准地击中坦克的侧面装甲，一辆日军坦克瞬间被炸毁，燃起熊熊大火。
随后，其他战防炮也纷纷开火，又有 3 辆日军坦克被炸毁。
日军的坦克进攻受阻，步兵失去掩护，暴露在 81 军的重机枪火力下。沅式水冷重机枪发出 “哒哒哒” 的声响，子弹如雨点般射向日军步兵，日军纷纷倒地，进攻被击退。
接下来的几天，日军多次发起进攻，却都被 126 师与川军联手击退。
126 师的精良装备在战斗中发挥了重要作用：沅式轻机枪在巷战中灵活机动，能有效压制日军的小股部队；60mm 迫击炮与 82mm 迫击炮则能对日军的冲锋队形进行覆盖射击；普通士兵的沅式步枪精准度高，能在远距离击杀日军士兵。
川军士兵们看到 81 军的装备如此精良，士气大振，他们，与 81 军的士兵们并肩作战，奋勇杀敌。
不久后，刘庄儒接到田达的命令：为防止滕县守军因伤亡过大而被迫撤退，81 军剩余主力 6 个团约 9000 人，已抵达滕县以西的临城、枣庄一线，构建第二道防线。刘庄儒立即调整部署：留下 1 个团协助川军坚守滕县城区，自己则率领另外 2 个团，前往临城、枣庄，与主力汇合，共同加固第二道防线。
临城、枣庄一线地形复杂，多山地与丘陵，适合构筑防御工事。刘庄儒与 81 军主力部队汇合后，立即组织士兵们挖掘战壕、修建碉堡、布置铁丝网与鹿砦。
士兵们冒着寒风，日夜劳作，短短 3 天时间，便在临城、枣庄一线构筑起了一道坚固的防御工事。
工事内，重炮旅的 105mm 榴弹炮与 150mm 榴弹炮已部署完毕，瞄准日军可能进攻的方向；37mm 战防炮与沅式 20 机关炮则部署在山地制高点，形成交叉火力；步兵们则在战壕内待命，随时准备抵御日军的进攻。
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