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全无战斗意志，在没怎么接战的状态下继续后退。就这样，日军沿湘江东西两岸而下，在宽45公里的正面快速向衡阳推进。
长沙陷落后，第10军军长方先觉命令衡阳市民和机构进行最后一次疏散，一小部分人人坐上粤汉线的火车，更多的人则登上湘桂线的火车，往广西撤退。一时间，衡阳东西火车站人声鼎沸，人们扶老携幼，又一次陷入了逃亡的旅程。从一开始疏散，市长赵君迈就要求各户家中留米，作为第10军的备用粮食。衡阳盛产一种米酒，称之为胡子酒，又叫张飞酒，有酒商将上千坛美酒留下来，供守军奋勇杀敌前一醉。
军委会负责后勤和运输的部长俞飞鹏亦奉蒋介石之命抵达衡阳，督办和协调补给，为守军运来了大量手榴弹，在随后的战斗中发挥了极重要的作用。不过，由于后来战斗时日绵延，弹药最终还是不够打，葛先才在《长沙、常德、衡阳血战亲历记》中曾这样回忆：“只要是我军所需，而邻近各兵站有库存者，皆尽其所有送至衡阳。也多亏俞部长莅衡，我军得到大批超额粮弹及各类军需器材，但未料及战斗延长至四十七天之久！全线昼夜激战，每日弹药消耗量惊人，尤以山炮野炮弹，于九天后告罄。虽曾于不定期每次空投四十五发，但杯水车薪，无济于事。”
与此同时，军委会调派第7战区黄涛（云南讲武堂，广东蕉岭人）第62军从广东英德出发。该军到曲江后乘火车北上，作为策应第10军守城的部队，于6月23日抵达距衡阳仅有几十里的西头塘和二塘间。前去侦察的第62军士兵，甚至能远远望到正在张家山加固工事的第10军士兵。
两天前的21日深夜，蒋介石给在衡阳的方先觉打了个长途电话：“你第10军常德之役伤亡过半，装备兵员迄未补充，现又赋予衡阳核心守备战之重任。此战关系我抗战大局至巨，盼你第10军全军官兵，在此国难当前，人人奋发自勉，个个肩此重任，不负我对第10军期望之殷。我希望你第10军能固守衡阳两星期，但守期愈久愈好，尽量消耗敌人。我规定密码二字，若战至力不从心时，将密码二字发出。我48小时解你衡阳之围，你是否有此信心？”
方先觉说：“本军不惜任何牺牲，战至声嘶力竭，死而后已。堪以告慰委员长者，据近日来的观察，全军官兵无一人有怯敌之色。人人喜笑颜开，努力构筑工事备战。斗志极为高昂，未将即将来临之恶战放在心中。现在厉兵秣马，准备与敌决一死战。”
蒋介石说：“很好，很好，很好！我又从昆明第48师那里抽调了一个战防炮营给你，第74军、第46军炮兵各一部也给配备给你，敌军合围前必至。你好自为之，祝你一战成功。”
蒋介石随即挂了电话。
为给衡阳守军一个下马威，以湖北监利县白螺矶（位于湘鄂交界处，洞庭湖附近）为基地的日本第5航空军在6月22日第一次空袭了衡阳，但随即遭到从广西桂林、柳州，湖南永州、芷江、江西赣州、遂川基地起飞的中美混合空军的战机的反击。在陈纳德的指挥下，这段时间他们正在以每天超过100架次的频率轰炸逼近衡阳的日军。中国的“驱逐之王”高又新也驾驶着战机飞临衡阳，来捕捉日机。
第116师团在岩永汪指挥下，在路上分出作为机动部队的黑濑平一第133联队，命其向湘乡转进，与右路南下的第40师团合围从长沙方向撤下来的中国军队，同时护卫师团的侧背，主力则在6月26日凌晨冲至衡阳西南。黑濑支队切断了由石潭到湘乡间的道路，把退下来的中国军队压到了南下追击的第40师团的正面，随后在涟水附近击溃第73军（两年中第三次被击溃）。6月22日午后，占领湘乡的黑濑联队向着衡阳方向追赶师团主力，这个联队的士兵此时还不知道，他们即将踏上黄泉路。
这一天，衡阳完成了疏散。
除守军和千余名辅助守城的精壮劳力外以及准备破坏该城重要设施的地方军统组织外，这座城市再无他人。
6月22日夜，湘江东岸的佐久间为人第68师团前锋抵达湘江支流耒水东北岸的泉溪。
饶少伟暂54师少量警戒部队与之接触后，就撤至耒水西南岸。6月23日午后，第68师团开始强渡耒河，遭对岸守军的猛烈反击。
47天的衡阳保卫战由此拉开大幕。
三天前，美国副总统华莱士访问重庆，蒋介石在与之交谈时承认现在的战局危急，但同时又表示：日军的进攻势头将很快被遏制。这当然是外交辞令。实际上，进入6月下旬后，作为基督徒的蒋介石，就开始每晚向上帝祈祷保佑衡阳了。
但上帝无法拯救衡阳，衡阳的荣誉只能靠第10军将士自己去搏取。
但这时候，似乎没人看好第10军。6月23日，重庆的军法执行总监部总监何成浚在日记中记载：“军令部报告战争情况，衡阳业已在倭寇严重威胁下，守军力量甚低劣，敌人不攻则已，否则与长沙必无二致。”
就在这一天，佐久间为人第68师团一部在新码头与饶少伟的部队接上了火，主力向南另寻渡河点，并在23日黄昏渡过耒水，奔袭湘江东岸的衡阳机场。此时，饶少伟暂54师是从长沙撤下来的，此时其尚有编制的一个团派出去俩营与敌接战。按薛岳的计划，适时放弃衡阳机场后，饶少伟就带着部队撤。与敌接战的那俩营，在湘江东岸一路向南，渐渐脱离了衡阳战场。东岸接火后，方先觉派容有略一部驰援，在机场南翼的五马归槽与日军激战。
饶少伟想带着剩下的一个营继续南撤，但被方先觉强行留下。
重庆军委会当然知道第10军兵力过少，尤其缺少炮兵，所以开战前，从云南第5军第48师、广西第46军和湘西第74军分别抽出一个战防炮营、一个山炮连、两个野炮连，配置给衡阳守军，已经赶到了战场。其中，第74军野炮营陈布新指挥的两个连进驻城南回雁峰（该部配备的法式野炮射程达15,000米，从回雁峰上可以伏击任何一个点的日军，但弹药有限）。此外，又一度将黎行恕第46军新19师配置给第10军，但大战爆发前又把该师调回广西（衡阳之战后期，该师又北调，参加所谓的解围战）。
现在，方先觉扣留下暂54师仅有的一个营，完全是没有办法的办法。
但薛岳对此很不痛快，暂54师是薛岳的嫡系部队，以至于后来薛岳对赵子立说：“第4军完了！暂54师也要完了！方先觉是故意要牺牲饶少伟啊！”
湘江东岸开战后，方先觉急令周庆祥第3师由衡山回撤，并命回雁峰上配属的第74军炮兵隔江攻击。就这样，一枚枚炮弹从回雁峰呼啸着飞越湘江，落入日军的阵地。方先觉随之来到城南湘桂铁路桥旁的新街视察，对扼守这里的搜索营第1连连长臧肖侠说：“你们严加警备，没命令不准任何人渡江，并严防敌奸偷渡！”
6月24日傍晚，周庆祥带着第3师主力撤回衡阳。一个团断后，仍在草河以北。
当天晚上，李玉堂在衡阳西站召开会议，参加者除第10军长方先觉、军参谋长孙鸣玉和周庆祥、葛先才、容有略几个师长外，还有第62军军长黄涛和他的部队长。
就在第62军在衡阳城外待命时，黄涛接到薛岳的一份电报：“拟将第62军两个师分别配属第4、9战区各一个师，立即开赴粤汉路以东湘南待命。”黄涛深感无理，表示没军委会的指示，自己不能做主。
薛岳就不再吭声。
后来来看，薛岳这完全是大声吆喝一嗓子，对方要是就范了就赚了；对方不听话呢，就当他没说。薛岳之无理调动，导致其威信大减。
对第10军的老军长李玉堂来说，于公于私都希望第62军紧贴着衡阳，所以在得知薛岳的做法后说了一句话：“薛长官到底是怎么想的？自己不去湘西就罢了，还想把策应衡阳守军的部队拉走！”
后来，重庆那边又来了一道命令，发电报来的是蒋介石侍从室主任林蔚，称：委员长关切衡阳外围的部队，要第62军与之保持电台联系，并令其后撤到70公里外的祁阳待机。这是7月初的事。也就是说，在衡阳已经爆发激战后，本来策应守军作战的第62军，却被重庆调离衡阳而远去了。林蔚解释说：在第62军与衡阳守军之间留出足够的距离，这样可以叫日军从容包围衡阳，等包围完了，第62军再从祁阳往衡阳进攻，跟其他援军一起与守军里应外合，进而击溃日军……
后来，衡阳守军等不来援军，固然有日军阻击猛烈的原因，但主要是军委会和援军自己的问题。作为方先觉的上峰，退到湘东南的薛岳一方面自顾不暇，一方面无意全力以赴地支援衡阳。重庆的蒋介石呢，倒是希望通过侍从室直接督导衡阳外围战事，但莫名其妙的胡乱调动最后只能是火上浇油。
方先觉第10军，就是在这样纷乱的背景下守城的。
日军攻破五马归槽阵地后，又突破冯家冲阵地，偷袭了守军还没来得及破坏的衡阳机场，主力在五马归槽以南东阳渡（距衡阳10公里）横渡宽500米的湘江。方先觉急令容有略将城西北的阵地交给刚刚回返衡阳的周庆祥第3师，自己亲率部队去夺回机场。
6月24日深夜，湘桂铁路开出最后一列火车后，方先觉向工兵营陆伯皋营长下令炸毁城南横跨湘江的公铁大桥的桥墩。陆营长念大桥花费巨资和大量人力物力艰难修建而成，至今还没几个月，不忍心进行彻底的爆破，向方先觉建议进行有限破坏，令日军没法在短时间内修复使用即可。
方先觉说：“伯皋，我支持你这个想法！但是能行吗？”
陆伯皋说：“我计算过了，只爆破大桥中间三截桥桁就可以达到目的，保证完成任务。”
在衡阳保卫战中，工兵营长陆伯皋中校发挥了非常大的作用。工兵部队长在作战时，一个主要任务就是炸毁相关设施以免被敌人利用。但是，陆伯皋在执行任务时，绝不是不管不顾地根据上峰的指令以求完成就好，而是完全做到走心思、动脑子，甚至想到以后的重建，真正负起艰难时代一个中国工兵部队长的责任。开战前，陆伯皋参与设计和指挥修建的阵地就不用说了，开打后他又带着工兵营不断驰援各个阵地，抢修被毁坏的工事的同时，也跟步兵一样与日军血拼，从一线的张家山到纵深的苏仙井，都可以看到工兵部队奋战的身影。
就在这时候，去广西领取美式山炮的炮兵营长张作祥带着六门最新美式山炮和2000发炮弹从日军的间隙穿过，进入战云密布的衡阳！
第10军驻衡山时，营长张作祥就已经带着部队去昆明了，奉命领取最新美式山炮12门并接受训练。本来早就能北返，没想到，途经桂林时，被驻当地的炮兵第1旅给扣下了。也不知道该旅怎么弄到了军政部的命令，愣是把第10军这个炮兵营编入了自己的部队，并令其进驻全州。方先觉得知此事后哭笑不得，只能直接向蒋介石汇报，后者气得哆嗦了好几下，叫来军政部长何应钦问怎么回事。何应钦说他从没下过这样的命令。
一笔糊涂账。
这也是1944国军之乱象的一角。
就这样，在蒋介石的过问下，张作祥营长才携带了六门山炮（仍被扣下六门）和全部2000发炮弹上了湘桂线的火车返回。
张作祥带着部队在距衡阳15公里的三塘站下火车，遇到李玉堂。
李玉堂说：“军委会没给衡阳我军配属独立的炮兵部队，故而我当然希望你全营能平安进入衡阳城。但敌人先头部队已过东阳渡，跟我军前哨接战。你营在进城途中，可能与敌遭遇，火炮有可能被截。不如在这里集结待命，一切责任由我负。”
张作祥说：“多谢总司令！但正如总司令所言，衡阳我军火炮稀缺，军长已多次催促我。我愿率部冒险入城，不惜任何牺牲。”
李玉堂仍有犹疑。
张作祥立即召集各位连长，征询意见。他们跪地起誓，愿冲入孤城，与火炮共存亡。
至此，衡阳保卫战战斗序列最终如下：
第10军军长方先觉，参谋长孙鸣玉，辖：
第3师，师长周庆祥（师部在城西司前街），辖：方人杰第7团（后鞠震寰接替）、张金祥第8团、萧圭田第9团；
预10师，师长葛先才（师部在城西南郊五显庙），辖：曾京第28团、朱光基第29团、陈德坒第30团；
第190师，师长容有略（师部在城内府正街），辖：俞延龄第568团、梁子超第569团、贺光耀第570团；
军直属部队：辎重团团长李绶光、搜索营营长何竹甫、炮兵营营长张作祥、工兵营营长陆伯皋、通信营营长袁大文。
配属作战部队之部队长：暂编第54师师长饶少伟（师部在江边铁炉门），辖第1团团长陈朝章；第48师战防炮营营长刘卓、第74军炮兵营长陈布新（野炮两个连）、第46军炮兵连长彭孔光（山炮一个连）。
一共17,600多人。
以上守军除步枪外，拥有轻机枪400多挺，重机枪近百挺，各种火炮100多门（主要是迫击炮62门以上、野炮4门、山炮10门、高射炮1门以上、速射炮12门以上、机关炮12门以上，战车防御炮7门以上），以及大量的手榴弹。
最终阵地扼守是：周庆祥第3师位置在城北和城西北；葛先才预10师位置在城南和城西南；容有略第190师支援暂54师湘江东岸作战，回撤后协助预10师守城南；饶少伟暂54师回撤后扼守湘江西岸。
葛先才于战