由于第五师团主要的行军路线是从怀仁到雁门关一线，所以在浑源到大同一线并没有多少日军，日军不认为现在的中国军队还敢分兵到他们的后方活动。
李杰率领一旅昼伏夜出，最终顺利的穿过浑源到达大同东北方。按照出发前的安排，李杰将部队在天镇到大同必经的交通线上潜伏了下来。
凭着多年从军的经验判断，李志坚和李杰都断定日军组织如此大规模的会战，需要的物资绝对是海量的，那么大同作为桥头堡，一定会有大量的物资运送过来。经过侦察兵的侦察结果，的确有一支为数不少的汽车队连续几日一直在这条线上不停的运输。
于是李杰就开始布置起伏击战场来，根据了解到的日军车队运输时间安排，李杰在第一线在布置了四个营，伏击战一旦打响，必须要保证前线的火力强度，四个营已经是地形能够容纳的最大数，新兵太多，他不敢太过分散。为了增加老兵比例，李杰将三个团下辖的侦察连也都布置在了这里。
为了稳妥，李杰在第二线留了两个营作为预备队。
在面向大同城的方向，李杰安排了三个营，如果大同日军增援，则负责对大同方向过来的日军进行阻击。
在伏击阵地上，按照出发前李志坚和李杰的战术推演，到时候要集中迫击炮和掷弹筒对日军进行急速射，在最开始就用饱和火力打掉被伏击日军的主要战斗力，随后机枪等火力射击，冲锋队同时开始冲锋。
李杰在这里集中了所有的迫击炮和掷弹筒，为了增加第一时间火力饱和度，李志坚又给一旅额外加强了十几门迫击炮和几十具掷弹筒。
日军的运输队没有想到，还会在此遭遇中国军队的伏击。在他们看来，现在的中国军队应该都在日军大炮和重兵的攻击下辛苦抵抗。
在日军运输车队200多辆汽车到达伏击区域后，李杰用枪声做信号，所有的迫击炮和掷弹筒全部进行急速射，在炮击开始的几分钟后，两个营的突击队员大多手持冲锋枪进行突击，山上一百余挺轻机枪则进行遮蔽射击，防止残余日军对冲锋队伍射击，同时由神枪手抵近进行精准射击来进行掩护。
日军两百余辆汽车，大部分被炸毁，炮击持续五分钟后，日军押送的人员前后各一个中队，在未能实行有效反抗即先被炮兵打掉一半多，突击队员已经到达车队周围，冲锋枪的密集火力根本不是残余的日军可以抵挡，所到之处都被弹雨清扫干净。
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