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百团大战中的八路军机枪阵地
第三阶段（1940年10月6日至翌年1月24日）。
百团大战历时5个多月。从1940年8月20日-12月5日的3个半月中，八路军共进行大小战斗1824次，共计毙、伤、俘和投诚日伪军达46480人。其中包括：毙、伤日军20645人，伪军5155人；俘虏日军281人，伪军18407人；日军自动携械投诚者47人，伪军反正者1845人。同时，缴获各种枪5942支（挺），各种炮53门；破坏铁路474公里，公路1502公里，桥梁213座，火车站37个，隧道11个；破坏煤矿5个，仓库11所。此外，还缴获和破坏了其他大量军用物资。
详细战况
百团大战中刘伯承带领各旅旅长视察前沿阵地
1940年8月20日-12月5日，八路军在华北敌后发动对日军的大规模的进攻作战。1940年夏，日本利用德国在欧洲推进，英、美无暇东顾的机会，加紧对国民党施行军事压力和政治诱降，于5月间发动枣（阳）宜（昌）战役，连续轰炸重庆，声称要进攻西安、重庆、昆明，迫使英、法封锁滇越路和滇缅路；还通过各种渠道和国民党蒋介石集团的代表进行接触，商谈“和平”条件。同时，加强对华北敌后抗日根据地的“肃正”讨伐，推行“囚笼政策”，使敌后抗日根据地受到严重威胁。这时国民党政府更加动摇。1940年3月和6月，蒋介石的代表先后去香港、澳门与日本代表会谈；由于日本要求条件苛刻，未达成协议。为了打破日伪军对敌后抗日根据地的封锁和“扫十里温柔?2017/09/14?13:24:58
，争取华北乃至中国全面战局的好转，克服国民党的投降危险，八路军前方指挥部在华北敌后（除山东外）发动了大规模的破击作战。1940年7月22日，八路军总司令朱德、副总司令彭德怀等下达《战役预备命令》，规定以不少于22个团的兵力，大举破击正太铁路（今石家庄-太原）。同时要求对同蒲（大同-风陵渡）、平汉（今北京-汉口）、津浦（天津-浦口）、北宁（今北京-沈阳）、德石（德州-石家庄）等铁路以及华北一些主要公路线，也部署适当兵力展开广泛的破击，以配合正太铁路的破击战。8月8日，朱德、彭德怀等下达《战役行动命令》，规定：晋察冀军区破击正太铁路石家庄（含）至阳泉（不含）段；第129师破击正太铁路阳泉（含）至榆次（含）段；八路军参战兵力，计晋察冀军区39个团、第129师（含决死队第1、第3纵队等）46个团、第120师（含决死第2、第4纵队等）20个团，共105个团20余万人，还有许多地方游击队和民兵参加作战。
八路军的进攻战役于1940年8月20日首先在正太铁路发起。正太铁路横越太行山，是连接平汉、同蒲两铁路的纽带，是日军在华北的重要战略运输线之一。日军在正太铁路沿线驻有独立混成第4旅（司令部驻阳泉）全部，独立混成第8、第9旅（司令部分别驻石家庄和太原）各一部。8月20日夜，晋察冀军区在司令员兼政治委员聂荣臻指挥下，以18个步兵团、1个骑兵团又2个骑兵营、5个游击支队，在部分炮兵和工兵配合下，组成左、中、右3个纵队，分别向正太铁路东段日军独立混成第8旅大部和独立混成第4旅一部展开攻击。经数小时激战，右纵队攻入晋冀交界的要隘娘子关，歼日军一部。尔后，破坏了娘子关以东的桥梁和通信线路。向娘子关至微水段进攻的中央纵队，连克蔡庄、地都、北峪、南峪等日军据点，并破坏桥梁两座。攻击井陉煤矿的中央纵队一部，在矿工支援下，破坏了煤矿的主要设施，迫使其停产达半年之久。1940年8月23日，因石家庄方向的日军西援，加上连日降雨，河水泛滥，严重妨碍作战行动，晋察冀军区部队遂转移兵力，实施对铁路、桥梁、隧道的全面破击。
第129师在师长刘伯承、政治委员邓小平指挥下，以8个团（包括决死队第1纵队2个团）、8个独立营的兵力，组成左翼破击队、右翼破击队和中央纵队，亦于1940年8月20日夜对正太铁路西段日军独立混成第4旅大部和独立混成第9旅一部展开攻击；另以2个团会同平定、辽县、榆社等地方武装，分别对平辽、榆辽公路进行破击，并牵制各点守敌，保障主力侧后的安全。左翼队一部进攻芦家庄，连克碉堡4座，歼日军80余人；右翼队一部攻击桑掌和铁炉沟等据点，歼日军130余人。21日，该师为阻止日军从侧背攻击破路部队，令预备队一部抢占阳泉西南4公里处的狮垴山高地。从23日起，阳泉日军在飞机支援下，并使用化学武器，不断向狮垴山猛攻。第129师阻击部队英勇奋战，坚守6昼夜，歼日军400余人，保障了破击部队翼侧的安全。经数日作战，第129师控制了正太铁路西段除阳泉、寿阳以外的大部分据点及火车站，严重破坏了该段的路轨、桥梁、隧道，使正太铁路西段陷于瘫痪。
继续破击日军交通线，重点攻占交通线两侧和深入根据地内的日军据点。为扩大战果，1940年9月16日，八路军总部发出第二阶段作战命令，要求各部队继续破坏日军交通线，摧毁深入抗日根据地内的日伪军据点。部署是：第120师主力对同蒲铁路北段宁武至轩岗段进行彻底破坏，再次切断同蒲铁路北段的交通；晋察冀军区主力破击涞（源）灵（丘）公路，并夺取涞源、灵丘两县城；第129师重点破击榆（社）辽（县）公路，收复榆社、辽县（今左权）两县城。
晋察冀军区以8个团、3个游击支队、2个独立营组成左、右翼队和预备队，于1940年9月22日发起涞（源）灵（丘）战役，对该地区的日军独立混成第2旅和第26师及伪军各一部发动进攻。右翼队重点攻击涞源县城，由于缺乏攻坚器材，日军顽强抵抗，经通宵激战，未能得手。