为了解决大流速地下水作用下多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，提出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。运用该数学模型对淮南潘一矿原冻结设计参数及其优化方案进行了分析。结果表明：对双圈管的外圈上游120°范围内的冻结管进行加密处理后，当地下水流速为10、15、20m/d时，优化方案相较于常规方案在3种流速下的冻结壁交圈时间分别提前了7、13、57d，并且对应相同的冻结时间，优化后的冻结壁的厚度明显增加。