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第3军团进抵临沂后，将指挥部设在临沂南关；把各部队部署在临沂外围各战略要地。日军攻占莒县、沂水之后，继续向临沂前进。3月3日，进抵离临沂30公里的汤头地区，遭到守军庞炳勋军团的顽强抗击。临沂外围另一仗——汤头之战开始了。
3月4日，日军以田野旅团为主力，纠集了伪军刘桂堂部，共两万多人，向庞炳勋部守军第232团阵地发起猛攻。守军组织了五十多人的敢死队，用集束手榴弹轰炸了敌人几辆坦克；其他部队集中各种火器与敌步兵激战、肉搏，先后打退了敌人四次进攻，消灭伪军大部，击毙日军数百人。
3月5日，日军增援部队由台潍公路输送到汤头一线，日军集中兵力向庞炳勋部守军231团阵地发起攻击。日军坦克、步兵猛冲上来，守军防守的太平、白塔等阵地危急。
庞炳勋立即命令：“231团务必坚守白塔、太平，拖住敌军主力；垛庄的补充团从葛沟以北抄袭敌之右侧背；229团从相公庄沿沭河东岸抄袭敌人左侧背。”
229团迅速沿着汤河北上，冲向敌人左侧背。在沂河附近，229团与日军展开激战。
2营长汪大章举起寒光闪闪的大刀，喊道：“一连的弟兄们，跟我上！”他挥舞着大刀冲向敌阵。一番惨烈的厮杀，夺下敌人第一个阵地。连长被炸断双腿，怀抱机枪死战不退，直到身中五弹而牺牲。两个士兵拉燃一捆集束手榴弹，冲向敌人坦克而爆炸，最后全连只剩下五个人。敌军被击退。趁敌人退却时，汪大章组织了几十个敢死队员。
“弟兄们，你们都是有种的血性汉子，统统跟我冲！”汪大章举着大刀向另一股日军冲去，敌人不防乱了阵脚，四处溃逃。汪大章喊道：“弟兄们，这些兔崽子，手上沾满了我们的鲜血，决不能让他们跑掉！”
他冲上去一连劈死三个鬼子，其中一个鬼子临死前竟死抱住他，在他脖子上狠咬了一口。等眼前的鬼子全被杀死时，汪大章手下只剩下三个士兵。他本人也四处负伤，额头、脖子、臂膀、大腿上鲜血淋漓……
这时日军又涌上来把汪大章围住，指挥官命令：“抓活的，抓活的！”
“别做梦了！”汪大章大喝一声，挥起大刀冲了上去，把一个鬼子的脑袋砍掉。正当他挥第二刀时，日军指挥官举枪射击，子弹击中汪大章头部。汪大章丢掉大刀，抽出插在怀里的驳壳枪，对敌人猛射几枪，又打到两个鬼子。敌人枪声又响了，汪大章终于倒在血泊中……
临沂南关第3军团指挥部。作战参谋匆匆来报：“军团长，229团汪大章营全营殉国！”
庞炳勋闻报大惊，不禁高呼：“汪大章，英雄啊！”他泪水横流，立即拿起电话命令：“见到鬼子狠狠地打！不要俘虏，统统地打死！不然不解恨哪!”
当晚，日军向沂河两岸守军阵地发动数次猛攻。庞炳勋部官兵集中几十挺轻重机枪于沂河两岸，给涉水进攻之敌以重创，河中浮尸不计其数。庞军团左右夹击，一举夺下了太平、白塔一带，收复了汤头以南所失阵地，迫使气势汹汹的板垣师团后撤三十多里。
3月9日晚，第五战区举行中外记者招待会，中外记者数十人参加。
战区参谋徐祖诒说：“各位女士们、先生们！现在，我向你们报告前线的最新战况。临沂之战，我方守军庞炳勋仅率所部一师二旅，力战死守，与强敌激战六日，使日寇板垣师团受阻于汤头一线，未能逼近临沂城！……”
记者们热烈鼓掌。
一位外国女记者问：“请问徐参谋长，庞炳勋率领的是一支什么部队？”
徐祖诒说：“庞炳勋的部队，是中国一支名不见经传的杂牌军。”
外国女记者吃惊地说：“庞炳勋是杂牌军？日本的‘铁军’败于中国的‘杂牌军’？……”
另一位外国记者伸出大拇指说：“中国的杂牌军，ok!”一阵笑声。
武汉的蒋介石身穿中式服装，拿着红蓝铅笔，指点着地图上的莒县、沂水等地，沉思片刻，对机要秘书陈布雷说：“给庞炳勋军团长复电。”
他踱了几步停下，口述电文：“即到。临沂庞军团长：5点20分参电悉。此次鲁南莒沂诸役，该集团军作战以来，艰苦奋斗，至堪嘉尚！”