Eu vejo alguma redundância em sua abordagem. O nginx é bastante eficiente, pois um servidor da web e um balanceador de carga e a adição de um segundo balanceador de carga em cima dele parecem inúteis.
Pessoalmente, preferiria ter um nginx com interface que serve conteúdo estático e solicitações de balanceamento de carga para o apache + php
Para o cache, você pode querer olhar para os redis, acho que é mais poderoso que o memcached. É definitivamente melhor ter o cache de opcode além do balanceamento de carga. Você pode querer considerar o xcache como o cache de opcode para php.