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桓帝延熹十年（167年，亦是靈帝永康元年），長安東北部的羌人（東羌）先零部落叛亂，西羌的當煎部落再度起兵。當煎羌四千餘人打算攻擊武威郡，段熲得知消息後，馬不停蹄，率部疾進到鸞鳥（甘肅武威縣南），遮擊當煎羌，殺三千餘人，斬其酋豪，至此，當煎羌一蹶不振，西羌戰事告一段落。
與西羌相比，東羌對帝國的威脅更大，因為東羌的居住地靠近長安一帶，可直接威脅帝國的心臟。在段熲大破西羌的同時，東羌先零部落對三輔（長安一帶）發動猛攻，擊破漢政府置於長安城附近的京兆大營與雍縣大營，殺死漢軍一千餘人。同年十月，先零羌第二次發動對三輔的進攻，東漢朝廷緊急命使匈奴中郎將張奐馳援三輔。
張奐與段熲、皇甫規同為東漢晚期的名將，此人文武雙全，而且為官清廉公正，與皇甫規是好友。張奐接到命令之後，火速派遣兩名部將率軍趕赴三輔，一個是司馬尹端，另一位便是大家所熟知的大名鼎鼎的董卓。
尹端與董卓率軍與先零羌苦戰，大破先零羌，斬俘超過一萬人。
東羌雖然是羌人區，但因為接近內地，並不由護羌校尉段熲管轄，而是由度遼將軍與使匈奴中郎將負責管轄。在皇甫規被陷害之後，又重新得到朝廷的重用，出任度遼將軍，張奐出任使匈奴中郎將。漢桓帝對皇甫規與張奐的招撫東羌的政策十分不滿，因為東羌反反覆覆地叛了又降，降了又叛，他十分欣賞段熲的高壓手段，便下詔徵求段熲的意見：“先零東羌造惡反逆，而皇甫規、張奐手握強兵，卻不能及時平定，朕想讓你移兵東討先零羌，不知是否合適？你可以仔細思考一下戰略戰術。”
段熲對皇甫規、張奐等人招撫羌人的政策很不滿，於是便上書道：“皇甫規、張奐以為招降的方法，可以坐制強敵，而臣以為羌人狼子野心，難以用恩德收降，雖然羌人在勢困之時會投降，但等我們大軍一去，便重起反叛之心，對付他們的辦法，只有以長矛挾肋、白刃加頸。以臣之見，必須要一勞永逸地解決羌人反覆的問題，只要拔給五千精銳騎兵，一萬步兵，外加三千輛戰車，花上兩三年的時間，足以平定羌亂，該項軍事預算為五十四億錢，可令群羌破盡。”
漢桓帝聽了很高興，批准段熲的計劃。
永康二年（168年），段熲率一萬精銳出彭陽，奇襲高平，與先零羌決戰於逢義山，此時先零羌的力量仍然十分強大，人數上也超過段熲的部隊，所以漢軍上下有一種恐慌的情緒。段熲沉著冷靜，命令長矛手排為三列，將強弩兵夾在其中，騎兵掩護左、右兩翼，迎戰先零羌軍。臨戰前，段熲發表陣前演說，激勵士兵，他對士兵們喊道：“現在我們在遠離家鄉數千里之外作戰，勇敢前進則功業可成，怯懦後退則全軍覆沒，諸將士奮勇作戰，以博得功名吧。”說罷放聲長呼，眾士兵莫不慨奮，一時間呼聲震天。
段熲作為名將，決不僅僅在於善於用兵，他身先士卒，一馬當先勇闖敵營，眾將士在主將的表率下，無不奮勇殺敵，對敵方陣營發動猛烈的衝擊。羌人雖然人數上占優，可是漢軍士氣旺盛，銳不可擋，最後羌軍大敗，被斬殺八千餘人，二十八萬頭牲畜盡落入段熲之手。
這次輝煌的勝利奠定了勝利的基礎。夏季，段熲深入作戰，從橋門谷一路追擊到走馬水畔，一路打下來，取得了一連串的勝利。此時段熲接到情報，得知在奢延澤一帶發現先零羌的軍隊，他立即率領輕騎兵日夜兼程，以一日二百餘里的速度趕到戰場，在清晨時分對羌人發起進攻，羌人哪曾料到段熲來得這麼快，遺下累累屍體，其餘的人一直逃到落川，才重新收集殘餘的部隊。
段熲不想給羌人予喘息的機會。他兵分兩路，由騎司馬田晏率五千人從東面發動攻擊，以假司馬夏育率二千人從西面發動攻擊。羌軍派出六七千人迎戰田晏的五千漢軍，結果被打得丟盔卸甲，潰不成軍，便急急地向令鮮水撤退。
段熲率主力火速推進到令鮮水畔，經過連續性的作戰後，將士們已經十分疲憊，饑渴交加，大家都想好好喝點水，好好休息休息。然而段熲認為漢軍疲睏，羌軍處境更加不妙，下令軍隊不得休息，擺好進攻的方陣，一鼓作氣，在令鮮水河畔再次突擊羌人，羌人又遭敗績，只得繼續逃竄。
經過短暫的休整後，段熲繼續清剿，他的頑強精神令人佩服，羌人被迫退向靈武谷地。段熲身披鎧甲，率先攀登山地，士兵們無人敢落後，這近乎魔鬼般的超強度的軍事行動，打造出一支鋼鐵般的軍隊。羌人再度被擊敗，落荒而逃。段熲率眾軍士追了三天三夜，這是長距離的步行，所有的士兵腳下都起了水泡，羌人可算見識如此不要命的漢軍的將領了，羌人屢戰屢敗，撤到漢陽穀地。
這就是段熲的作戰風格，其疾如風，其堅強如鐵，其耐力天下無雙，如此強大的戰鬥力，與段熲的卓越的領導能力息息相關。史書記載，段熲“行軍仁愛，士卒疾病者，親自瞻省，手為裹創。在邊十餘年，未嘗一日蓐寢。與將士同苦，故皆樂為死戰。”
段熲平定東羌即將大功告成。此時，張奐上書朝廷，認為：“東羌雖被擊破，然而羌人還有眾多部落，是不可能完全消滅他們的，段熲果敢卻失於輕率，朝廷要考慮到勝負的局勢並不是始終不變的，所以應施以恩德，招降羌人，如此才能長治久安，否則日後必後悔。”
與西羌相比，東羌對帝國的威脅更大，因為東羌的居住地靠近長安一帶，可直接威脅帝國的心臟。在段熲大破西羌的同時，東羌先零部落對三輔（長安一帶）發動猛攻，擊破漢政府置於長安城附近的京兆大營與雍縣大營，殺死漢軍一千餘人。同年十月，先零羌第二次發動對三輔的進攻，東漢朝廷緊急命使匈奴中郎將張奐馳援三輔。
張奐與段熲、皇甫規同為東漢晚期的名將，此人文武雙全，而且為官清廉公正，與皇甫規是好友。張奐接到命令之後，火速派遣兩名部將率軍趕赴三輔，一個是司馬尹端，另一位便是大家所熟知的大名鼎鼎的董卓。
尹端與董卓率軍與先零羌苦戰，大破先零羌，斬俘超過一萬人。
東羌雖然是羌人區，但因為接近內地，並不由護羌校尉段熲管轄，而是由度遼將軍與使匈奴中郎將負責管轄。在皇甫規被陷害之後，又重新得到朝廷的重用，出任度遼將軍，張奐出任使匈奴中郎將。漢桓帝對皇甫規與張奐的招撫東羌的政策十分不滿，因為東羌反反覆覆地叛了又降，降了又叛，他十分欣賞段熲的高壓手段，便下詔徵求段熲的意見：“先零東羌造惡反逆，而皇甫規、張奐手握強兵，卻不能及時平定，朕想讓你移兵東討先零羌，不知是否合適？你可以仔細思考一下戰略戰術。”
段熲對皇甫規、張奐等人招撫羌人的政策很不滿，於是便上書道：“皇甫規、張奐以為招降的方法，可以坐制強敵，而臣以為羌人狼子野心，難以用恩德收降，雖然羌人在勢困之時會投降，但等我們大軍一去，便重起反叛之心，對付他們的辦法，只有以長矛挾肋、白刃加頸。以臣之見，必須要一勞永逸地解決羌人反覆的問題，只要拔給五千精銳騎兵，一萬步兵，外加三千輛戰車，花上兩三年的時間，足以平定羌亂，該項軍事預算為五十四億錢，可令群羌破盡。”
漢桓帝聽了很高興，批准段熲的計劃。
永康二年（168年），段熲率一萬精銳出彭陽，奇襲高平，與先零羌決戰於逢義山，此時先零羌的力量仍然十分強大，人數上也超過段熲的部隊，所以漢軍上下有一種恐慌的情緒。段熲沉著冷靜，命令長矛手排為三列，將強弩兵夾在其中，騎兵掩護左、右兩翼，迎戰先零羌軍。臨戰前，段熲發表陣前演說，激勵士兵，他對士兵們喊道：“現在我們在遠離家鄉數千里之外作戰，勇敢前進則功業可成，怯懦後退則全軍覆沒，諸將士奮勇作戰，以博得功名吧。”說罷放聲長呼，眾士兵莫不慨奮，一時間呼聲震天。
段熲作為名將，決不僅僅在於善於用兵，他身先士卒，一馬當先勇闖敵營，眾將士在主將的表率下，無不奮勇殺敵，對敵方陣營發動猛烈的衝擊。羌人雖然人數上占優，可是漢軍士氣旺盛，銳不可擋，最後羌軍大敗，被斬殺八千餘人，二十八萬頭牲畜盡落入段熲之手。
這次輝煌的勝利奠定了勝利的基礎。夏季，段熲深入作戰，從橋門谷一路追擊到走馬水畔，一路打下來，取得了一連串的勝利。此時段熲接到情報，得知在奢延澤一帶發現先零羌的軍隊，他立即率領輕騎兵日夜兼程，以一日二百餘里的速度趕到戰場，在清晨時分對羌人發起進攻，羌人哪曾料到段熲來得這麼快，遺下累累屍體，其餘的人一直逃到落川，才重新收集殘餘的部隊。
段熲不想給羌人予喘息的機會。他兵分兩路，由騎司馬田晏率五千人從東面發動攻擊，以假司馬夏育率二千人從西面發動攻擊。羌軍派出六七千人迎戰田晏的五千漢軍，結果被打得丟盔卸甲，潰不成軍，便急急地向令鮮水撤退。
段熲率主力火速推進到令鮮水畔，經過連續性的作戰後，將士們已經十分疲憊，饑渴交加，大家都想好好喝點水，好好休息休息。然而段熲認為漢軍疲睏，羌軍處境更加不妙，下令軍隊不得休息，擺好進攻的方陣，一鼓作氣，在令鮮水河畔再次突擊羌人，羌人又遭敗績，只得繼續逃竄。
經過短暫的休整後，段熲繼續清剿，他的頑強精神令人佩服，羌人被迫退向靈武谷地。段熲身披鎧甲，率先攀登山地，士兵們無人敢落後，這近乎魔鬼般的超強度的軍事行動，打造出一支鋼鐵般的軍隊。羌人再度被擊敗，落荒而逃。段熲率眾軍士追了三天三夜，這是長距離的步行，所有的士兵腳下都起了水泡，羌人可算見識如此不要命的漢軍的將領了，羌人屢戰屢敗，撤到漢陽穀地。
這就是段熲的作戰風格，其疾如風，其堅強如鐵，其耐力天下無雙，如此強大的戰鬥力，與段熲的卓越的領導能力息息相關。史書記載，段熲“行軍仁愛，士卒疾病者，親自瞻省，手為裹創。在邊十餘年，未嘗一日蓐寢。與將士同苦，故皆樂為死戰。”
段熲平定東羌即將大功告成。此時，張奐上書朝廷，認為：“東羌雖被擊破，然而羌人還有眾多部落，是不可能完全消滅他們的，段熲果敢卻失於輕率，朝廷要考慮到勝負的局勢並不是始終不變的，所以應施以恩德，招降羌人，如此才能長治久安，否則日後必後悔。”