本发明公开了一种变截面隧道模型试验开挖装置及开挖方法，解决了现有技术中小截面隧道模型开挖后对大截面隧道模型的开挖存在困难的问题，具有实现变截面隧道模型试验精确开挖的有益效果，具体方案如下：一种变截面隧道模型试验开挖装置，包括底座，底座支撑多维运动机构，多维运动机构带动滑块实现横向和竖向运动，滑块与直线驱动机构连接，直线驱动机构可沿着隧道模型开挖方向伸缩，直线驱动机构与旋转组件连接，旋转组件包括与直线驱动机构活动端连接的第一转轴，直线驱动机构的伸缩方向与滑块横向移动方向垂直，第一转轴与第一部件连接，第一部件通过第二转轴与钻头连接，第二转轴带动钻头在与滑块移动平面相平行的平面内转动，第一转轴与第二转轴垂直设置。