警方從三重劉榮三母親住處，將這對兄弟與張鎮興帶回台中隔離偵訊，個個擊破，從三嫌互相推諉的供詞，拼湊出案情輪廓。案發當天，劉榮三開著母親的車子，南下台中找弟弟與連襟，張鎮興提議，揪他搭訕多日的檳榔西施一起到豐原「闔家歡KTV」唱歌喝酒，三人在包廂內灌醉小芳，接著將她載到豐原中正公園，張鎮興、劉榮三先後在汽車後座性侵小芳。
小芳受辱，酒醒後哭著說要提告，讓劉榮三暗起殺心，他先開車至后里，接著轉石岡，甚至開進東勢林場，途中還到加油站買汽油，就是想找殺人棄屍地點，最後在新社頭嵙山偏僻處停車。
劉榮三先以鐵鎚重擊小芳頭部，導致她顱骨凹陷，腦漿滲出，接著潑灑汽油，準備焚屍，這時已經呈彌留狀態的小芳突然跳起來尖叫，劉榮三卻繼續攻擊，還命令張鎮興也必須打，算是「投名狀」，就這樣二人邊燒、邊搥，活活燒死、打死小芳。三人犯案後開車逃逸，但可能是太過緊張，竟然「鬼打牆」，短短的路程花了3個多小時才繞出來。
由於罪證確鑿，三人很快遭到起訴，法院審理時，劉榮三毫無悔意，竟誣陷小芳自願以1萬元性交易，事後卻抬高價格到5萬元，還拿汽油威脅「不給錢就同歸於盡」，他搶過汽油不慎點燃，但小芳沒死，是張鎮興重擊她頭部，才會鬧出人命，推得一乾二淨，不過，法官不採信，認定劉榮三及張鎮興性侵、殺害小芳。
全案經詳細審理後，法院認定劉榮華只負責把風，判他12年徒刑；張鎮興性侵小芳，並在劉榮三逼迫下，重擊小芳2下，判處無期徒刑；劉榮三不僅性侵，還冷血殺人，惡性重大，沒有教化的可能，判處死刑，全案定讞，但劉榮三目前尚未執行，仍在牢裡等待槍決。根據與劉榮三、張鎮興同房的獄友轉述，二人幾乎每天晚上都睡不好，常半夜尖叫，說西施來了，向他們索命，十分煎熬。
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