Попробуйте изменить значение proxy_cache_key
Я например использую — proxy_cache_key "$request_method|$http_if_none_match|$host|$uri$args"
p.s. кстати, попробуйте добавить к аксес логу '"$upstream_addr" "$upstream_response_time" "$upstream_status" $upstream_cache_status', будет удобнее делать дебаг кеширования.
