você pode equilibrar sua carga nos dois servidores. Tente dar mais carga ao tomcat independente. Você encontrará os mesmos exemplos aqui: link
A mensagem de erro parece que seu tomcat não está devolvendo nenhuma resposta. Você deu uma olhada nos seus logs de tomcat? Talvez os tomcats tenham algum problema e o apache esteja mantendo as conexões abertas. Isso também pode ser uma fonte para o apache desistir. Você tem o mod_status instalado no seu apache? Isso pode lhe dar algumas dicas adicionais.
Christian