在部分能力充足的高速铁路上，开行高铁货物列车运输高附加值货物，能够提高铁路运输企业的经济效益。考虑到高铁客运需求在一天的不同时段具有明显的高峰和平峰，在保证高铁客运需求不受影响的基础上，设置高铁快捷货运列车在不同时段的差异化开行成本，进而按发车时段优化高铁快捷货运列车开行数量和停站方案。建立了一个“空间-时段-开行方案”的三维网络，并定义了该网络中的各种节点、弧段，以及弧段阻抗函数，将列车开行方案优化问题转化为三维网络中的路径选择问题。通过交通流量平衡理论，建立了一个双层规划模型，上层是一个以运输企业效益最大为目标的整数规划模型，下层是一个基于用户平衡理论的流量分配模型。根据模型特点设计了嵌入Frank-Wolfe方法的改进遗传算法对模型进行求解。通过北京-西安高铁走廊的通道能力以及相关参数，对提出模型进行了算例验证，并证实了其有效性。