为了解决大流速地下水作用下单圈冻结管形成的冻结壁不易交圈或交圈时间延长等工程问题，针对地下水对人工冻结温度场的作用特点，采用在水流上游位置加密布置冻结管的方法对常规冻结方案进行优化设计。基于表观热容法构建了水热耦合数学模型，并通过大型物理模型试验对数学模型的合理性进行了验证。基于该数学模型并结合淮南某矿冻结方案的设计参数，通过数值计算对7种优化方案的优化效果进行了分析。结果表明：在较大流速的地下水作用下，冻结管布置圈的上游位置的冻结效果是影响整个冻结壁交圈时间以及厚度的决定性因素，对上游位置的冻结管进行加密处理后，缩小了相邻冻结管之间的间距，增加了上流区域的冷量供应，从而缩短了上游区域的冻结壁的交圈时间，进而提高了整个冻结壁的冻结效率。当加密的角度为105°，冻结管的间距缩小至1m时，冻结交圈的最大流速达到13m/d，较优化前(8m/d)提高了62.5%，并且对应相同的冻结时间，优化后的冻结方案形成的冻结壁的厚度明显大于优化前。