本发明公开了一种盾构掘进多分量偏载室内测试装置与方法，所述装置包括土箱、模型盾构机、顶推装置、支撑套和三维力传感器，其中：所述土箱的前后两侧分别设置有模型盾构机出口和模型盾构机入口，土箱内填有模型土；所述顶推装置的一端固定于反力墙上，另一端通过模型管与顶推装置连接，顶推装置推动模型管进而推动模型盾构机向前掘进；所述模型管的外部套装有支撑套，支撑套用于固定模型管，只允许模型管沿轴向移动；所述模型盾构机和模型管之间设置有二维力传感器。本发明的应用，可以分析盾构掘进过程中地表变形、盾构负载以及盾构偏载的发展规律，为土岩复合地层盾构姿态偏移机制分析提供试验依据。