双城子俄军师长伊万诺夫得知我军多路并进的消息后，脸色惨白。他深知铁路枢纽是双城子的命脉，一旦失守，城内的弹药与粮食补给将彻底断绝，于是紧急抽调两个团的兵力，在铁路枢纽西侧的高地构筑临时防线，试图阻拦我军中路纵队。但俄军士兵本就士气低迷，面对装甲列车的炮火压制，根本不敢贸然冲锋，只能躲在战壕里胡乱射击。
我军装甲列车停在俄军炮火射程之外，野战炮轮番轰击俄军高地工事，炮弹落在战壕里，掀起阵阵尘土，俄军士兵的惨叫声此起彼伏。半小时后，高地工事被摧毁大半，赵烈下令步兵下车冲锋，士兵们端着步枪，沿着铁路两侧的斜坡冲向高地，俄军士兵见状纷纷溃败，沿着小路向主城区逃窜。上午10时许，双城子外围的铁路枢纽、弹药库与江岸渡口尽数被我军掌控，伊万诺夫被迫将剩余兵力收缩至双城子主城区，依托城内的房屋与街道构筑防线，试图拖延时间，等待增援。
吕超识破了伊万诺夫的意图，并未急于发起巷战，而是让装甲列车沿主城区边缘的铁路巡逻，用炮火摧毁俄军的火力点，同时让右路纵队控制城内的水源与粮仓，切断俄军的后勤补给。城内的俄军士兵本就缺衣少食，失去补给后，士气愈发低落，不少士兵开始偷偷向我军投降。3日后傍晚，伊万诺夫见援军迟迟未到，城内士兵已溃不成军，最终下令打开城门投降，双城子战役仅用3天便结束，我军以伤亡不足千人的代价，歼灭、俘虏俄军共计8000余人，彻底切断了俄军远东各据点的横向联系，为后续战事扫清了关键障碍。
冉闵收到捷报后，随即抬手指向地图东北侧的库页岛，眼底锐光更盛：“命第2军全员搭乘海军军舰，从海参崴港口启航，直扑库页岛。库页岛北接鄂霍次克海，南邻日本海，既是远东重要的渔业与矿产基地，也是海防关键支点，俄军在此仅驻扎少量边防部队，约两个团的兵力，且分驻南北两端——北部集中在亚历山德罗夫斯克，南部驻守科尔萨科夫，中间地带仅有零星哨所，兵力分散。”
“具体进攻部署：海军征北舰队下属的第1分舰队率驱逐舰6艘、护卫舰4艘全程护航，掩护运输船在库页岛中部的霍尔姆斯克港登陆，此地俄军仅一个排驻守，防御薄弱，登陆后可快速建立滩头阵地，割裂俄军南北防线。”蒋方震指尖点在霍尔姆斯克港的位置，继续道，“登陆后第2军分兵两路：北路纵队沿库页岛西海岸推进，沿途肃清奥哈、马卡罗夫等小型据点，最终合围亚历山德罗夫斯克，切断俄军向北撤退至鄂霍次克海的通道；南路纵队沿东海岸推进，攻克特莫夫斯科耶后，直取南部重镇科尔萨科夫，控制库页岛南部港口，断绝俄军从日本海获得补给的可能。”
“另外，需警惕日军动向。”蒋方震适时补充，“库页岛南部与日本北海道隔宗谷海峡相望，日军北海道驻军约两个师团，此前一直密切关注远东战事，曾多次派侦察机抵近库页岛空域。海军需分出部分兵力在宗谷海峡附近巡逻，防止日军以‘保护侨民’为由插手战事，若日军舰船越界，先警告驱离，若拒不撤离，可果断开火反击。”冉闵点头认可：“此事交由海军司令朱王英统筹，务必守住宗谷海峡防线，不让日军有可乘之机。”
命令下达后，第2军军长刘邦俊与海军司令朱王英提前敲定了护航与登陆细节，4月中旬，第2军的3万余名士兵陆续登上15艘运输船，在征北舰队第1分舰队的护航下，从海参崴港口启航，向库页岛驶去。舰队航行途中，朱王英特意让2艘驱逐舰在宗谷海峡附近巡逻，密切监视日军的动向——此时日军北海道驻军已进入戒备状态，3艘巡洋舰与5艘驱逐舰在北海道西海岸集结，侦察机更是频繁抵近库页岛南部空域，显然对我军进攻库页岛的行动极为忌惮。
4月18日拂晓，舰队抵达库页岛中部的霍尔姆斯克港外海，朱王英下令驱逐舰对港口进行炮击，俄军驻守的排级兵力根本无力抵抗，很快便放弃港口逃窜。运输船随即靠岸，第2军士兵迅速登陆，仅用1小时便建立起稳固的滩头阵地，随后按计划分兵两路，向库页岛南北两端推进。
北路纵队沿西海岸推进时，几乎未遇到像样的抵抗——俄军在奥哈、马卡罗夫等据点的兵力均不足百人，且多为当地招募的土着士兵，战斗力薄弱，我军士兵抵达后，这些士兵大多直接投降，仅用5天便推进至亚历山德罗夫斯克外围。亚历山德罗夫斯克的俄军约一个团，驻守在城内的一座旧堡垒中，我军士兵先以迫击炮轰击堡垒外墙，随后架起云梯冲锋，仅用半天便攻克堡垒，俘虏俄军团长以下1200余人，彻底掌控库页岛北部。
南路纵队的推进则略显波折，不仅要应对俄军的抵抗，还要提防日军的异动。4月22日，南路纵队推进至特莫夫斯科耶时，遭到俄军一个营的阻击，双方在城外的山林中展开激战。俄军士兵依托山林地形，试图伏击我军士兵，但我军士兵战术灵活，分兵多路穿插，很快便击溃俄军，攻克特莫夫斯科耶。就在南路纵队准备向科尔萨科夫推进时，日军的2艘驱逐舰突然越过宗谷海峡中线，抵近库页岛南部海域，试图干扰我军行动。
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