警方不動聲色，立刻趕到恩主公醫院周邊搜尋，果然在停車場角落發現呂男的小貨車，但車窗貼著深色隔熱紙，從外面看不清車內狀況，只能隱約看見裡面有一條毛毯，警方打開車門、掀開毛毯，赫然發現潘女、呂男明顯死亡，屍體就疊在車內。
警方初步勘驗，並未發現死者身上有明顯槍傷或刀傷，但2人全身濕透，手部都有遭綑綁的痕跡，潘女頭髮、臉部、衣物沾有泥沙，口鼻有泡沫，呂男看來也是生前溺水。警方研判，2人是在其他地方溺斃後，被沈文賓載到恩主公醫院停車場棄屍。
針對相關疑點，沈文賓向警方供稱，他只是和2人爭吵，一時失控把對方推入水中，原本打算將2人送到恩主公醫院急救，但後來發現2人已死，才把車停妥後，決定回家，思考下一步怎麼辦。對於他的供詞，警方根本不採信，因為若真要救人，為何不在宜蘭就近送醫？而且到了恩主公醫院，又為何不把人送進急診室搶救？
找到2名死者、取得沈文賓的說法後，警方接著追查共犯的身分，經比對通聯紀錄、車輛動線和手機定位，發現沈文賓同父異母的弟弟沈文夏，案發前後都與哥哥同行，2人的位置高度重疊，因此立刻拘提沈文夏。沈文夏起初也避重就輕，承認跟哥哥一起押人，卻騙警方他們是在某公園堤防附近，將死者推入水中，警方帶他回現場勘驗，發現根本沒有他所說的圳溝，不像案發地。
為釐清真相，警方反覆偵訊沈文夏，並比對監視器、通聯、手機定位，最後鎖定桃園大溪一處產業道路，該處位在道路盡頭，旁邊有一條灌溉圳溝，警方帶沈文夏到場模擬，並在附近草叢中找到死者的皮包、證件，警方也採集現場的泥土、雜草，與小貨車的車輪及車內殘留物比對，確認這裡才是2名死者遇害的第一現場。
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