警方為了釐清雙屍案真相，展開深入調查，先是在台北市文山區、廖男弟弟住處附近，找到廖男的車，並在車內找到藍色的電線，經比對與綁在籠子上的「電線結」相同，另外還發現4個米袋，也與籠內裝石頭用的米袋一致。警方進一步比對車內電線與籠子上電線結的切割痕，確定都是籠內那把老虎鉗所切。
此外，警方還輾轉得知，廖正中除了新北市三重的住處外，案發前2個月又在蘆洲租了間房子。賴順來告訴本刊，他們到場搜索時，在垃圾桶找到一張被撕碎的遺書，也發現和女童身上相同的紙尿布，另外還有安眠藥，最後警方在廖男的電腦裡發現縝密的自殺計畫，內容包括自殺方式、財物分配、給親友的書信以及對愛女的思念等。
警方發現，身為水電工的廖正中完全依照計畫行事，陸續完成鐵絲網、塑膠網等自殺工具的製造及佈置，最後再帶著女兒自殺，種種證據也都支持這樣的推論。不久，法醫的第二次驗屍報告出爐，這次在廖正中的肺部驗出微量的矽藻成分，是第一次所沒驗到，死者生前落水的可能性因此大增。
警方研判，廖正中之所以執意帶著不滿2歲的女兒尋短，可能是因女兒出生後歸宋姓女友撫養，每次要見女兒都需經宋女同意，不能隨時探視，但他深愛著女兒，所以一直思索如何才能與女兒長久相伴。
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