接着廖磊又命令第7军徐启明之170师一部，佯攻蒙城，主力向蒙城以东游击。区寿年部以1个团固守涡阳。主力向蒙城以北曹市集方向进攻，以牵制敌军，并预定于5月15日黄昏开始总攻击。
,然而就在廖磊兵团积极准备在淮北围歼第九师团和第13师团的时候，此时的敌情却正在迅速的变化。虽然韦云淞的31军在宿县以南的浍河两岸阻止了敌藤田进的第3师团，但临涣集、百善、石弓集地区情况严重。
畑俊六此时调整到达该地区第13、第9师团的行动，企图快速达到切断徐州及以北、以东守军向西的退路遮断徐州以西的陇海铁路，并与鲁西南的第16师团在该地会师的目的。因而于决定 以第9师团派井出宣时少将率18旅团之步兵第19联队，山炮兵1个大队，向临涣集以东之宿县方向进行警戒，掩护主攻部队之右翼，师团主力攻向百善及以北地区。
而第13师团攻占永城，并按预定计划北进，以遮断徐州守军之退路。第3师团向固镇桥西北之大营集、双堆集、祁县集方向进攻。
已接近徐州地区的敌荻洲立兵第13师团，调整了进攻部队的编组，以适应快速向陇海路突进的需要。将配属的岩仲义治大佐之坦克第1大队、独立轻战车第7中队、第104联队之两个步兵中队、1个工兵中队，组成快速挺进队。
更重要的是，由于增调至永城的罗奇第95师之1个团因故尚未到达，敌13师团于5月15日攻占了仅有数百名地方部队防守的永城，同日第9师团占领了永城东南的百善。
,敌第13师团占领永城后，岩仲义治依照命令率其坦克快速挺进队由永城向北，中间在韩道口经与74军激战后，于5月16日15时30分到达了砀山以东约15公里的汪阁，并将该地的铁路炸断。第2天由鲁西南济宁过来的敌16师团之坦克快速挺进队，也到达了汪阁以东，炸断了铁路。
与此同时，第16师团虽遭第五战区部队的抵抗，但还是于13日占领至金乡以北地区；而第14师团酒井隆的第28旅团亦由济宁渡过运河经嘉祥向西进攻，与商震第20集团军守卫郓城的李必蕃之第23师激战之后，于5月13日占领了郓城，以掩护其师团主力由濮城地区渡至黄河以南，向陇海路沿线进攻。
到达金乡以北的第16师团，遭到第1战区第3集团军李汉章第74师在金乡、鱼台地区的有力抵抗。第1战区令74军58师的174旅进至沛县支援第3集团军作战，经数天连续争夺，随后鱼台、金乡相继被敌攻占。
这次作战，74师伤亡较大，师参谋长杨景环阵亡，第80旅旅长张清秀、副旅长李彤溪均在指挥巷战中负重伤，部队大部牺牲。
敌16师团为了控制陇海路，编成了以坦克第2大队长今田俊一大佐指挥的突击部队向南进攻，其编成的单位计有：坦克第2大队，车载步兵第9联队的第1大队，野炮兵1个中队，工兵1个小队。
这支突击部队从金乡东北约15公里的乡茂海出发，沿鱼台以东、丰县以西地区向南突进，冲破守军的阻击，17日8时到达了陇海路黄口车站以西汪阁一带，并与由永城过来的第13师团所属岩仲义治的第1坦克大队会合遮断了陇海路。
至此，徐州的军事形势随之快速恶化。
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