本发明公开了一种用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置，包括钻杆动力装置，三维定位掘进装置和可变溶洞开挖装置，钻杆动力装置通过卡槽与三维定位掘进装置连接，在模型试验系统中做可变深度钻孔掘进，为溶洞定位开挖做准备；可变溶洞开挖装置内置于三维定位掘进装置钻杆中，在完成钻孔掘进和溶洞深度定位后，通过调节角度控制栓做可变溶洞开挖；三维定位掘进装置包括钻杆，钻杆上端能够卡装于卡槽中，钻杆下端设有钻头，钻杆一侧面上设有供可变溶洞开挖装置调节的开槽，钻杆下半部分侧面上开有供可变溶洞开挖装置开挖半径变化的空隙。本发明同时公开了该装置的操作方法。本发明操纵简单，定位精确，能实现最小扰动可变溶洞开挖。