警方先突破張鎮興心防，全案偵破，但主嫌劉榮三在偵查與法庭審理時，竟誣陷小芳是自願性交易，臨時抬高價格，還拿著汽油揚言同歸於盡，才「不小心」點燃汽油；歷審均法官不採信其說法，最後劉榮三被死刑定讞，張鎮興無期徒刑，僅把風的劉榮華12年徒刑；目前等待槍決的劉榮三，據說常半夜尖叫，說西施前來索命，相當煎熬。
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。
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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