北线西路日军南下如此迅速，是韩复榘放弃济南造成的恶果。李宗仁为了阻止北线西路日军的进攻，确保徐州地区的安全，曾于2月10日命令第3集团军总司令孙桐萱指挥所属部队向运河以东推进，袭取济宁。
这是一场惊心动魄的战斗。孙桐萱原来是韩复榘的部属，韩复榘接连放弃济南、泰安、大汉口、济宁等地，数天之内，山东大片领土被日军占领，他感到愤慨。根据李宗仁的作战部署，孙桐萱指挥第22师强渡大运河，攻入济宁城，与日军在济宁城内展开了激烈的奋战。但是，由于日军及时得到增援，第22师遭到重大伤亡，被迫于2月17日晚撤退到运河西岸。中国军队未能夺回济宁，日军的侵略野心更加狂妄。19日，日军攻陷安居镇。22日至24日，相继猛攻第55军和第12军防守的阵地。25日，占领杏花村阵地。连日作战，第3集团军虽然歼灭日军1000多人，但未能实现夺回济宁的意图，部队伤亡3000多人，矶谷廉介指挥的部队不断向南推进，兵临滕县城下。
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