就在唐峰指揮部隊進攻威海衛軍港的時候，雷霆縱隊第二集團軍的部隊在劉偉晨指揮下從濟南城出發，兵鋒直指徐州城，這天軍隊來到蘇魯兩省交界處，在運河北岸安營扎寨，清軍在張勛指揮下布置了運河北岸地雷陣，構筑了南岸機槍陣地和炮兵陣地，使盡渾身解數，企圖阻止雷霆縱隊渡河。兩軍隔河對峙，呈現出一派劍拔弩張的景象。
部隊駐扎下來以后，羅升和向劉偉晨報告說：“參謀長，據我手下的偵察兵報告，對岸的清軍人數眾多，防御工事也很完備！”
劉偉晨回答：“你要安排了解掌握清軍防守比較薄弱的，尋找便于我們突破的地方!”
經過各部隊共同努力，渡河的船只、木筏等很快準備就緒，劉偉晨下令開始全面進攻，炮兵部隊對清軍前沿陣地進行漸進式炮火覆蓋，炮彈在清軍陣地爆炸，許多構筑的工事變成碎片，被炮火炸上太空，又像泥石雨一樣，一陣接一陣的散落在地，守衛在工事的清軍死傷嚴重，剩下的人放棄北岸陣地慌亂的往南岸撤退。
爆炸炮擊停止后，工兵們立即開始行動，他們拿著掃雷器、小紅旗和鐵鍬來到地雷陣附近，開始小心翼翼地排雷，只要發現地雷，把它們挖出來，或者在埋地雷的地方插上小紅旗，提醒后面的部隊注意安全。運河南岸的敵人自然不會對共和軍的排雷行動坐視不管，他們有的用機槍掃射，不斷開炮射擊，對雷霆縱隊的排雷行動進行干擾。由于雷場密度太大，再加上有敵軍干擾，直到當天下午戰士們才把河北岸的障礙清除完畢。
看到雷霆縱隊準備渡河，張勛下令成立督戰隊，手持大刀在陣地上督戰，只要發現企圖逃跑的人直接砍殺，清軍不但要防備雷霆縱隊的進攻，還要防備背后的督戰隊。
天空淅瀝瀝的下起了雨，清軍認為雷霆縱隊不會在晚上過河，總算松了一口氣，疲憊的官兵除了哨兵外都進入夢鄉。
當晚十點，劉偉晨下達命令各部檢查裝備，開始渡河。雷霆縱隊的陣地上升起了三枚紅色信號彈，雷霆縱隊的戰士們開始渡河，密密麻麻的船和木筏像離弦的箭一樣快速向對岸劃去。在前面的部隊過了河中線的時候，被清軍哨兵發現了，清軍哨兵立即向渡河的船只方向開槍射擊。聽到槍聲，清軍陣地上一片忙亂，知道雷霆縱隊開始渡河進攻了。清軍軍官費了九牛二虎之力把哨兵聚攏起來，慌慌張張地進入陣地。在軍官的指揮下激烈的槍炮聲響了起來，拼命地開槍開炮射擊。
渡河的士兵們面前出現了一道彈幕，不少戰士紛紛中槍落水。劉偉晨下達命令，所有火炮立即向運河南岸的清軍陣地開炮，壓制清軍的火力，進行地毯式覆蓋，掩護渡河部隊過河。
頓時一枚枚炮彈拖著明亮的尾焰飛向敵軍陣地。在遭到炮擊后，清軍陣地混亂不堪，士兵到處亂竄躲藏。
通訊員跑進了劉偉晨的指揮部：“報告參謀長！前方報告說敵軍火力猛烈，我軍渡河受阻，請指示！”
劉偉晨說：“命令徐浩峻組織部隊前去支援，一定要沖過運河，不惜任何代價！”
“是！”通訊員跑出去傳達命令。嘹亮的沖鋒號響了起來，一批批的士兵前仆后繼向著運河南岸發起沖鋒。在猛烈的攻勢之下，清軍終于堅持不住了，一些清軍士兵丟掉武器逃跑了。他們身后的督戰隊員見狀趕緊過去阻止，可是這并不能阻止士兵們想要逃跑的勢頭，他們紛紛調轉槍口向督戰隊員發起攻擊，把督戰隊員打得抱頭鼠竄。由于清軍倒戈，雷霆縱隊終于沖上了運河南岸，他們一面構筑灘頭陣地，一面派人向劉偉晨報告。劉偉晨得報之后，立即下令：“裝甲車坦克車等輜重部隊立即過運河。”張勛見大勢已去，只得命令部隊放棄陣地，向徐州城撤退與袁世凱會合。
接到命令后，清軍交替掩護著撤出了陣地，一面繼續還擊，一面南撤。雷霆縱隊在劉偉晨的指揮下，在后面緊追不舍。清軍在九里山以北遇到了袁世凱派出的援兵，兩軍合兵一處，穩住陣腳，繼續抵抗，劉偉晨見敵軍援兵已至立即下令停止追擊。
狼狽不堪的張勛找到段祺瑞（袁世凱部下的一個都統）對他說：“段將軍！唐匪真是詭計多端，他們在雨夜發動進攻，而且火力兇猛，不懼死亡，打倒一個又上來兩個。如果沒有督戰隊，運河防線恐怕早就崩潰了！”
段祺瑞嘆了一口氣：“唉，張將軍你長期駐守徐州，沒和唐軍交過手，這些人不但詭計多端而且擁有怪異武器，在濟南的時候，他們就動用了一種可以飛在天上發射炸彈的武器，把我們炸得抱頭鼠竄，比你現在狼狽得多。”
張勛聽了嚇得出了一身冷汗。段祺瑞見狀安慰道：“張將軍不要害怕，據我手下的探馬（偵察兵）報告，這次唐軍的帶隊主將不是唐峰，而且也沒發現那些會飛的武器。”張勛聽到這里才放下心來。
就在段祺瑞和張勛談話的時候，在雷霆縱隊的大營里劉偉晨和張功圓也在交談，原來張功圓接到安營扎寨的命令后十分不解，安頓好部隊之后，他就找到劉偉晨敬禮說：“參謀長！我軍剛剛突破敵人的運河防線，正是乘勝追擊消滅敵人的的好時機，為何下令停止進攻啊？”
劉偉晨回答：“張師長！我們面前的這座山叫九里山，是保衛徐州的重要屏障。在楚漢相爭之時，漢軍的大將韓信就在此擺下十面埋伏陣，大敗楚霸王項羽，此后在這里也發生過多次戰斗。現在我軍到此，必須謹慎行事。”
張功圓回答：“是！”。
清軍在徐州地區的最高統帥袁世凱和俄國援華軍總司令格羅杰科來到前線，接見了段祺瑞、張勛等聯軍的主要將領。在匯報戰況的時候，張勛說道：“袁大人！在前兩次的戰斗中，我們發現唐軍不僅裝備精良而且詭計多端，他們竟然在雨夜發動進攻，打得我們措手不及！”
張勛說完之后一個俄軍軍官站起來匯報：“張將軍說得對，敵人的確很狡猾，為了防備狙擊手，他們的軍官不佩帶軍銜出現在陣地，我們的狙擊手很難辨認出誰是軍官，更可怕的，他們一旦發現我們的狙擊手就會用火炮（迫擊炮）射擊，我們的狙擊手再厲害也不是炮彈的對手。隨后又有幾個軍官要求發言，發言結束后，袁世凱調整了徐州城的防御部署，加強九里山防線的兵力。