本发明公开了一种隧洞衬砌结构模型试验装置及试验方法，试验装置包括压力舱、应力加载机构、衬砌层和监测系统。压力舱包括前舱门、舱体和后舱门；衬砌层可由素混凝土、钢筋混凝土或环锚预应力混凝土等浇筑成形，另外在衬砌层与舱体内壁之间可设置围岩模拟层；应力加载机构包括加载腔、压力管、汇压阀和压力水泵；监测系统包括监测仪器和数据采集仪器；试验方法包括衬砌层的制作与安装、应力加载机构与监测系统的安装、不同内外荷载加载步骤以及数据的采集与处理分析。